CC BY
58
УДК 004.94
О. П. Стреляная, Ю. Н. Косников
ПРИМЕНЕНИЕ ТРЕХМЕРНЫХ МОДЕЛЕЙ ДЛЯ ИНТЕГРАЛЬНОЙ ИНДИКАЦИИ СОСТОЯНИЯ МНОГОПАРАМЕТРИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ
Аннотация. Многоинформативность современных объектов контроля усложняет общую оценку состояния работы системы. Для наблюдения за объектом, характеризующимся большим количеством параметров, требуются большие затраты по времени и непрерывная концентрация внимания человека. Для восприятия интегрального представления сложной системы более удобным образом предлагается использовать трехмерный аналог лиц Чернова. В статье рассматриваются существующие средства визуального представления объекта в виде трехмерной модели. Указаны рекомендации по реализации представления зЭ-объекта.
Ключевые слова: отображение информации, интегральное представление, трехмерный объект, лица Чернова.
Каждая система, разработанная для управления сложными технологическими процессами, характеризуется большим количеством параметров. Известны различные методы и приемы наблюдения за такими системами. Однако всем этим методам присуща общая проблема: верная оценка состояния многопараметрического объекта в целом является сложной задачей. Для получения интегральной оценки совокупности большого количества параметров были использованы методы обобщенного отображения информации, реализующие идею так называемой генерализации данных [1]. Генерализация -это обобщение первичного множества параметров объекта и выделение (или синтез) таких характеристик, которые позволяют судить о существенных признаках поведения всего исходного множества параметров.
Простейшей генерализацией является нормирование параметров объекта, т.е. приведение их к одной шкале [2]. Нормированные параметры могут получаться, например, делением их текущих значений на оптимальные значения. Тогда совокупность параметров удобно представить в виде гистограммы, поскольку зрительный аппарат человека очень хорошо различает скачкообразные отклонения геометрических характеристик. Так, зазубрина на линейке обнаруживается зрением одномоментно, а плавная искривленность всей линейки практически не замечается.
Однако на основе приведенного метода наблюдения даже опытные специалисты не всегда могут быстро дать характеристику общему состоянию системы. Тем более это важно, когда счет времени идет на минуты, как, например, в медицине, где от быстрой реакции врача может зависеть жизнь человека. Например, опытный врач по внешнему состоянию пациента и словесному описанию в большинстве случаев может поставить верный диагноз, не прибегая к данным полученных анализов, однако картина выглядит иначе, если у врача недостаточно опыта или он не находится в непосредственной близости к пациенту. В таком случае система представления данных должна наиболее полно и емко отображать множество характеристик объекта (пациента), в то же время не перегружая пользователя информацией, и быть при этом простой в понимании.
Математик Г. Чернов, который долгие годы занимался проблемами статистики, в 1973 г. предложил в качестве эффективного способа визуализации многомерных данных отображение состояния систем в виде человеческого лица. Элементы лица сопоставляются с численными значениями параметров (групп параметров) сложного объекта, например, как показано на рис. 1. Способность человека легко замечать изменения в выражении лица позволяет быстро давать характеристику объекту.
ЗС21
Рис. 1. Элементы лица Чернова, используемые для представления параметров объекта контроля
Интегральная индикация, представленная в виде лица Чернова, имеет ряд существенных недостатков. Представление характеристики контролируемого объекта в виде принятых условных обозначений на лице (глаза - эллипсы, уши - круги, нос - треугольник, рот - дуга) придает модели несерьезный вид. Данный вопрос можно решить путем отображения лица Чернова в виде реалистичной модели «Головы Чернова» [3].
Используя современные технологии компьютерной графики, можно представить лицо в виде объемной зБ-модели, как показано на рис. 2.
Рис. 2. зБ-изображение головы человека
Для повышения информационной емкости модели с целью увеличения количества отображаемых параметров системы лицо модели может передавать человеческие эмоции. Также трехмерный образ обладает дополнительными геометрическими «степенями свободы» - это повороты вокруг горизонтальной и вертикальной координатных осей, различные виды пространственных деформаций. Другими словами, части лица могут
быть гипертрофированы геометрически (чрезмерно большие уши, длинный нос, круглые глаза). Данный аспект в свою очередь может усложнить интерпретацию представленных данных. С первого взгляда не каждый человек сможет отличить радость от безразличия или грусть от злости на незнакомом лице. Кроме того, конечные пользователи могут по-разному интерпретировать одно и то же выражение лица. Большинство людей может различить только значительные изменения в лице независимо от своего настроения. Но что будет в том случае, если использовать лицо человека, знакомого пользователю, в качестве модели лица Чернова, интерпретированной в трехмерном формате, например, по одной или нескольким фотографиям? На данный момент существует ряд программных продуктов, способных воспроизвести объемные изображения по одной фотографии -это FaceGenModeller, iClone, FaceShop, StrataFoto 3DCX, ProjectPhotofly и другие. Все перечисленные продукты лицензированы и не имеют бесплатных аналогов.
Рассмотрим основные принципы работы данных приложений на примере двух наиболее доступных - iClone и FaceShop. Один из самых простых методов создания трехмерной модели лица человека на основе фотографии предлагает программа iClone, которая создает трехмерную модель лица по одной портретной фотографии. Для начала требуется выбрать в библиотеке программы персонажа, на тело которого будет надета полученная голова. После этого станет активной вкладка Head. Перейдя на нее, можно загрузить фотографию с жесткого диска, после чего запустится мастер, который поможет преобразовать портрет в зD-модель. Работа мастера разбита на несколько этапов. Для начала предлагается откорректировать цветопередачу, ориентацию и обрезать лишнее. На следующем этапе iClone уже покажет предварительно сгенерированную трехмерную голову. Определив при помощи специальных маркеров границы лица, можно добиться максимальной схожести зD-модели с 2D-прототипом. Последний этап -установка положения лица на фотографии; затем необходимо будет откорректировать установленные программой маркеры для глаз, носа, рта и бровей [4]. Результат работы в программе iClone представлен на рис. 3. После сохранения полученную трехмерную голову можно редактировать.
Рис. 3. Преобразование фотографии в зD-модель головы в программе iClone
РасеБИор - еще одна программа, которая способна создавать трехмерные модели головы на основе одной фотографии. Как и в случае с 1С1опе, фото должно быть высокого качества, иначе некоторые участки зБ-модели могут быть прорисованы недостаточно хорошо. Создание трехмерного лица выполняется на основе ключевых точек. После загрузки изображения в программу пользователю предлагается выполнить обрезку, отделив лицо от других объектов, которые, возможно, также присутствуют на фото. Затем необходимо указать на фотографии ключевые точки - уголки глаз, нижнюю границу подбородка, середину лба, уголки рта. Мастер настройки сам расставляет их уже после указания пользователем первых трех точек, однако, как правило, некоторые из них требуется переместить, подобрав для них более точное положение. На следующем этапе РасеБИор сгенерирует модель нужной формы, а также наложит на нее текстуру - исходное 2Б-изображение. Отличительной особенностью данной программы является возможность использования предустановленных настроек, позволяющих изменять эмоции на смоделированном лице.
тт
Рис. 4. Варианты эмоций на смоделированном лице в программе РасеБИор
Проанализировав функционал перечисленных программ и принципы их работы, можно сделать вывод о том, что в них фактически применяется одинаковый подход к моделированию зБ-представления лица человека, основанный на использовании узловых точек (маркеров). Кроме того, общей чертой также является отсутствие какой-либо реализации автоматизированного определения ключевых точек лица - все настройки проводятся оператором. Таким образом можно утверждать, что на данный момент нет доступного программного решения, которое позволяет автоматизированным путем создавать трехмерную модель головы человека. В связи с этим в рамках поставленной задачи по данной работе планируется создание автоматизированной системы формирования зБ-модели головы человека по фотографии с использованием узловых точек. Данный аспект упростит настройку системы индикации многопараметрических объектов, что, в свою очередь, сделает систему доступнее для пользователей, не имеющих квалификации в создании трехмерных моделей.
Список литературы
1. Темников, Ф. Е. О представлении массовой информации перед оператором в системах наблюдения и управления / Ф. Е. Темников, Ю. А. Ивашкин // Вычислительная техника для управления производством : сб. ст. / под ред. В. В. Солодовникова. - М. : Машиностроение, 1969. -464 с.
2. Косников, Ю. Н. Развитие интегрального представления многопараметрических объектов / Ю. Н. Косников, О. П. Стреляная // Модели, системы, сети в экономике, технике, природе и обществе. - 2016. - № 2 (18). - С. 186-194.
3. Косников, Ю. Н. Построение интерфейса человек-компьютер для системы автоматизированного управления сложными объектами / Ю. Н. Косников // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2014. - № 4. - С. 82-92.
4. Бондаренко, С. И. Создание зБ-моделей на основе фотографий: обзор решений / С. И. Бонда-ренко, М. А. Бондаренко // CHIP. - 2011. - № 7. - URL: http://ichip.ru/ (дата обращения: 17.04.2016).
Стреляная Ольга Павловна
студент,
Пензенский государственный университет E-mail: [email protected]
Косников Юрий Николаевич
доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой информационно-вычислительных систем, Пензенский государственный университет E-mail: jkos@ pnzgu.ru
Strelyanaya Ol'ga Pavlovna
student,
Penza State University
Kosnikov Yuriy Nikolaevich
doctor of technical sciences, professor, head of sub-department of information and computer systems, Penza State University
УДК 009.94 Стреляная, О. П.
Применение трехмерных моделей для интегральной индикации состояния многопараметрических объектов / О. П. Стреляная, Ю. Н. Косников // Вестник Пензенского государственного университета. -2016. - № 2 (14). - С. 125-129.
