CC BY
11
11. Программный комплекс для контроля и доведения инструктажей // Свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ № 2022614758 / Федеральная служба по интеллектуальной собственности (дата регистрации: 24 марта 2022 г.)
Нестеренко Олег Евгеневич, канд. техн. наук, ст. преподаватель, vka@mil.ru, Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А. Ф.Можайского,
Оркин Вадим Витальевич, канд. техн. наук, преподаватель, Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А. Ф.Можайского,
Антонов Дмитрий Александрович, адъюнкт, Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А.Ф. Можайского,
Ионга Андрей Вячеславович, курсант, Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А. Ф. Можайского
IMPROVING THE QUALITY OF MANAGEMENT BY USING BIOMETRIC AUTHENTICATION OF
EMPLOYEES
O.E. Nesterenko, V.V. Orkin, D.A. Antonov, A.V. Ionga
The article discusses the possibility of improving the quality of management of various organizations and enterprises on the basis of improving the reliability of control over the conduct of briefings and bringing technologically important information to employees. An approach is proposed that implies the use of biometric authentication of employees in an automated system for monitoring and delivering briefings.
Key words: unified information space, biometric authentication, automated control system and delivery of instructions.
Nesterenko Oleg Evgenevich, candidate of technical sciences, chief lecturer, vka@mil.ru, Russia, St. Petersburg, Mozhaisky Military Aerospace Academy,
Orkin Vadim Vitalievich, candidate of technical sciences, lecturer, Russia, St. Petersburg, Mozhaisky Military Aerospace Academy,
Antonov Dmitry Aleksandrovich, postgraduate, Russia, St. Petersburg, Mozhaisky Military Aerospace Academy,
Ionga Anrey Vyacheslavovich, student, Russia, St. Petersburg, Mozhaisky Military Aerospace
Academy
УДК 004.942
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-12-347-357
ЯЗЫК ПАРАМЕТРИЧЕСКОГО ОПИСАНИЯ ОПТИКО-ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ СЦЕН В ЗАДАЧАХ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗРЕНИЯ
М.И. Олейников, И.О. Лутов, С.Ю. Королев, А.В. Протасова
В статье предложен высокоуровневый язык описания оптико-геометрических сцен с техногенными объектами, основанный на представлении трёхмерных моделей в виде набора параметров, заданных в явном виде. Проведён анализ существующих языков описания трёхмерных сцен и форматов файлов их представления. Приведены примеры построения оптико-геометрических моделей техногенных объектов при помощи представленного языка, а также пример расчёта индикатрисы силы излучения такого объекта для заданных условий подсветки и наблюдения.
Ключевые слова: оптико-геометрическая модель, язык описания трёхмерных моделей, параметрическое описание оптико-геометрических моделей, геометрический примитив, расчёт силы излучения, решение обратных задач, техническое зрение.
На сегодняшний день компьютерные модели [1, 2], а именно трёхмерные модели (другое распространённое употребление в русскоязычной литературе 3D модели от англ. three dimensional models) используются во множестве научных, научно-прикладных и инженерно-технических задач в различных отраслях знаний и производства как в нашей стране, так и во всём мире.
Для облегчения разработки 3D моделей широко используются системы автоматизированного проектирования - САПР (в англоязычной литературе Computer Aided Design - CAD), такие как «SOLIDWORKS» [3], «ANSYS» [4] «Autodesk AutoCAD», «Autodesk ArchiCAD» [5], «КОМПАСА» [6] и др., а также программы для дизайна, мультипликации и создания игр «Autodesk 3ds Max» [7], «Light-Wave» [8], «Blender» [9], «Autodesk Maya» [10] и др.
Применение конкретной системы или программы, как правило, связано с конечной целью, определяющей область научно-прикладных знаний, инжиниринга [11] или дизайна. Так для создания рабочей конструкторской документации могут быть использованы «Autodesk AutoCAD», «Autodesk ArchiCAD» или «KOMnAC-3D». Для расчёта тепловых и прочностных характеристик моделей и объектов производства, например, «SOLIDWORKS» или «ANSYS», а для создания анимации или дизайна могут быть использованы «Autodesk 3ds Max», «Blender», «LightWave».
На самом деле, спектр применения, а также количество систем и программ, использующих 3D моделирование, значительно шире приведённых в настоящей статье. Указанные авторами программы приведены как характерные для области трёхмерного моделирования.
Несмотря на различия и сферы применения этих программ приведём общие для них
черты:
- возможность параметрического представления широкой номенклатуры геометрических примитивов, включающих в себя не только простые сферы и конусы, но и такие, как «Oil Tank» (масляный бак) или «spindle» (шпиндель), используемые в «Autodesk 3ds Max»;
- возможность создания составных объектов и связанных объектов, например, посредством булевых операций или инструментов типа Conform в 3ds Max, которые видоизменяют один объект посредством другого;
- самое мощное средство для создания моделей практически любой сложности это работа со сплайнами и сетками при помощи широкого круга методов;
- в подавляющем большинстве программ все специализированные расчёты осуществляются на основе методов конечных элементов, базирующихся, в зависимости от задачи, на поверхностном, твердотельном или объёмном моделировании объектов расчёта и/или визуализации;
- использование любых из большинства распространённых программ или пакетов достаточно для создания 3D моделей любой сложности.
Тем не менее современные программы 3D моделирования имеют ограничения, связанные с решением несвойственных или неосновных для них задач, которые возможно преодолеть путём обмена данными между различными программами посредством общих (стандартных) форматов представления 3D моделей в виде двоичных или текстовых файлов.
Приведём распространённые форматы файлов, поддерживаемые многими пакетами и программами:
OBJ — текстовый формат файлов описания геометрии, разработанный Wavefront Technologies - компанией, занимающейся компьютерной графикой, которая разрабатывала и продавала программное обеспечение для анимации, используемое в киноиндустрии и других отраслях. В двух словах, формат файла OBJ хранит информацию о 3D-моделях. Он может кодировать геометрию поверхности 3D-модели, а также хранить информацию о цвете и текстуре. Этот формат не хранит информацию о сцене (например, положение источника света) или анимацию [12, 13];
3DS (имеется новый формат PRJ) - двоичный формат файлов, используемых программой Autodesk 3ds Max для 3D-моделирования, анимации и рендеринга. Собственный формат компании Autodesk фактически стал стандартом для передачи 3D моделей между различными программами и САПР. Содержит информацию об объектах, представленных в виде сеток их кинематику (анимацию), а также данные об источниках освещения (теперь замененный форматом PRJ) [14, 15];
STL (от англ. stereolithography) — простой формат файла, содержит минимум для описания 3D моделей, подходит для использования в аддитивных технологиях, например 3D печати. Информация об объекте хранится как список треугольных граней, которые описывают его поверхность, и их нормалей. STL-файл может быть текстовым (ASCII) или двоичным. Свое название получил от сокращения термина «Stereolithography», поскольку изначально применялся в этой технологии трехмерной печати [16];
DXF формат позволяет определять трехмерные треугольные сетки и твердые тела, изначально предназначался для двухмерных чертежей и остается для них наиболее подходящим [17];
STEP (англ. STandard for Exchange of Product model data — стандарт обмена данными модели изделия) — это широко используемая форма обмена данными ISO 10303 [18]. Может представлять трехмерные объекты в САПР и относящуюся к ним информацию. Формат файла STEP определен в стандарте ISO 10303-21 «Кодирование открытого текста структуры обмена». ISO 10303-21 определяет механизм кодирования для представления данных, соответствующих определенной схеме, на языке моделирования данных EXPRESS, определенном в ISO 10303-11. Содержит описание всего жизненного цикла изделия, включая технологию изготовления и контроль качества продукции. С точки зрения простого описание геометрии объектов содержит большое количество избыточной информации, связанной с технологией изготовления и описанием жизненного цикла изделия;
3MF - это формат основанный на XML, разработанный специально для послойного создания 3D моделей в технологиях аддитивного производства. Включает информацию о материалах, цветах и другую информацию, которая не может быть представлена в формате STL [19];
VRML - формат, в основе которого лежит язык моделирования виртуальной реальности (в англ. литературе The Virtual Reality Modeling Language) - это текстовый формат файла «VRL» для представления 3D моделей. Определён в международном стандарте ISO / IEC 14772 [20]. Имеет более новое развитие в виде X3D. Файлы c VRML имеют расширение «.VRL»;
X3D - это международный стандарт ISO/IEC 19775-1:2008 для трехмерной компьютерной графики с поддержкой XML и VRML. X3D стал преемником языка моделирования виртуальной реальности (VRML) в 2001 году. Поддерживает использование различных материалов для внутренней и внешней поверхностей [21].
Приведённый в статье перечень форматов не является исчерпывающим, однако отражает тенденции по использованию типов и видов данных, требуемых для представления 3D моделей или объектов.
В основе этих форматов лежит представление 3D моделей в виде сетки вершин, образующих полигоны, как правило, треугольники. Процесс разбиения на треугольники при поверхностном моделировании называется - триангуляцией (в англ. литературе triangulation). В качестве дополнительных параметров выступают параметры сдвига, разворота или масштаба для каждого 3D объекта, входящего в сложную 3D модель, а также характеристики цвета или текстуры и другие.
Некоторые форматы несут большое количество избыточной информации и имеют очень сложную структуру, например, STEP.
Постановка задачи. Одной из актуальных задач, решаемых при помощи 3D моделирования является анализ формы и ориентации космических объектов (КО) по результатам оптических наблюдений наземными оптико-электронными средствами (ОЭС) - телескопами.
Под оптическими наблюдениями понимаются либо прямые изображения КО, либо результаты фотометрических наблюдений в виде сигнатур блеска КО в стандартной фотометрической системе. Следует отметить, что получение прямых изображений ограничено и возможно только при помощи крупно-апертурных адаптивных телескопов при наблюдении больших КО габаритами в 10 м и более на низких орбитах до 600 км. В свою очередь для получения фотометрии ограничений на диаметр оптики и размеров КО меньше и на сравнительно небольших телескопах диаметром до 50 см можно получать фотометрию по КО, находящихся в области геостационарных орбит размером порядка 1 м, что позволяет утверждать о большем распространении и доступности фотометрической информации.
В качестве КО в настоящей статье рассматриваются космические аппараты (КА), вышедшие из строя или неисправные, а также фрагменты космического мусора образованные в ходе столкновения КА или после их выведения на орбиту. Наличие на околоземной орбите как действующих КА, так и неисправных, а также фрагментов космического мусора определяет техногенную обстановку, наблюдение за которой приобретает всё большую актуальность [22-24].
Решение этой задачи осуществляется Межагентским координационным комитетом по проблеме техногенного засорения космического пространства — Inter-Agency Space Debris Coordination Committee (IADC) [25]. В качестве средств наблюдения используются наземные телескопы, принадлежащие членам комитета. От нашей страны в IADC принимает участие Госкорпорация «Роскосмос», которая для мониторинга техногенной обстановки использует автоматизированную систему предупреждения об опасных ситуациях в околоземном космическом пространстве (АСПОС ОКП) во взаимодействии с системой контроля космического пространства [26].
Известно, что любой анализ параметров объекта по результатам наблюдений является обратной задачей, требующей в большинстве случаев наличие адекватной модели представления наблюдаемого объекта с требуемым набором параметров, определяющих необходимые свойства и характеристики самого объекта [27-30].
Помимо указанного, необходимо наличие специализированного программного обеспечения, учитывающего характеристики и параметры, складывающиеся в ходе орбитального движения КО, такие как: вектор состояния КО на заданный момент орбитального движения, положение источников подсветки (Солнце, система Земля-атмосфера), их спектро-энергетические характеристики излучения, а также оптико-физические параметры отражения функционально-конструктивных элементов (ФКЭ) КО [31, 32].
Применительно к наблюдаемым КО определяемыми характеристиками являются следующие:
1) ориентация всего КО в орбитальной системе координат;
2) ориентация крупных ФКЭ КО;
3) форма и размеры крупных ФКЭ КО;
4) форма и размеры отдельных фрагментов космического мусора и их параметры вращения;
5) характеристики отражения ФКЭ КО и отдельных фрагментов космического мусора.
Как правило, аналитически эти задачи решены быть не могут, за исключением задач по определению размеров диффузных и зеркальных сфер с известными характеристиками отражения, для которых известны простые аналитические соотношения для расчёта отражённого излучения от точечного бесконечно удалённого источника излучения.
На практике для решения обратной задачи нередко используется цикл с обратной связью, включающий расчёт прямой задачи, в нашем случае, речь идёт о прямой фотометрической задаче, в результате решения которой получаем оценку блеска КО для заданных условий подсветки и наблюдения.
Этапами этого цикла являются:
1) задание формы и взаимной ориентации ФКЭ КО;
2) задание параметров отражения каждого ФКЭ КО;
3) формирование сеточной модели каждого ФКЭ;
4) решение прямой фотометрической задачи;
5) сравнение результатов расчёта с результатами наблюдения;
6) формирование критерия соответствия.
Анализ определяемых характеристик по пунктам 1 - 2 показывает, что при известных парамет-
рах, задающих форму и размеры ФКЭ КО, а также их параметры отражения эти характеристики можно оценивать путём сопоставления 3D моделей, представленных в приведённых форматах. Это объясняется тем фактом, что эти модели возможно представить в виде сеток, после задания параметров в выбранном пакете САПР или программе для дизайна, или мультипликации, после чего выполнить экспорт в выбранный формат представления. После этого данная 3D модель импортируется в специализированное ПО по расчёту фотометрических характеристик КО или получения прямых изображений с учётом спек-тро-энергетических характеристик источников освещения.
В свою очередь определение характеристик КО по пунктам 3 - 5 с использованием 3D моделей, представленных в приведённых форматах, не представляется возможным.
Главным ограничением этих форматов является отсутствие в сеточных 3D моделях параметров формы и оптических характеристик, заданных в явном виде. Другими словами, для перебора параметров, например, цилиндрических и конических тел (высота и радиусы оснований), необходимо возвращаться к пакету САПР, изменять параметры, осуществлять экспорт модели и опять решать прямую расчётную задачу, оценивать близость выходных сигналов или характеристик, затем снова повторять цикл, что не позволяет применять методы автоматизированного перебора и поиска параметров.
Исключением являются языки VRML и X3D, в которых имеется возможность задать такие фи-
гуры, как сфера, конус и куб, однако нет возможности задания цилиндра, параллелепипеда, параболы, а также сегментов сферических, параболических, цилиндрических поверхностей и плоских элементов таких как круг или кольцо, позволяющих описывать большинство типов геометрических форм, используемых в конструкциях КА различного назначения.
В связи с этим возникает актуальная потребность в создании высокоуровневого языка описа-
ния оптико-геометрических моделей (ОГМ) космических объектов в явном виде задающего параметры описания формы широкой номенклатуры геометрических примитивов.
Параметрическое описание поверхностей. Анализ функционально-конструктивных характе-
ристик современных КА показывает, что наиболее распространёнными типами поверхностей являются: сферические, цилиндрические, конические, параболические и плоские.
С учётом этого авторами предлагаются следующие варианты наборов параметров для описания приведённых типов поверхности.
На рис. 1 представлены параметры для описания сферической поверхности. В качестве параметров для такого описания используются:
- радиус сферы, Л^;
- высота отсечения сверху, И\;
- высота отсечения снизу, И2;
- начальный угол,
- конечный угол, гепа;
- число разбиений по долготе, М (по углу г);
- число разбиений по широте, Ы2.
Задавая различные значения этих параметров можно получить как сферу целиком (И\ = 0, И2 =
г*ан = 0°, гепа = 360°), так и сегмент сферы (И\ = 0, И2 < 2ДрЛ, г*ан = 0°, г^а = 360°), сферический пояс (И\ > 0, И2 < 2-Я^-рн, г^ан = 0°, гепа = 360°) или сектор сферического пояса
(И\ > 0, И2 < ъярн, г** Ф 0°, гепа Ф 360°).
Y
X
Рис. 1. Параметры для описания сферических поверхностей
На рис. 2 приведены параметры для описания конических и цилиндрических типов поверхностей.
Параметрами для такого описания являются:
- радиус нижнего основания, Я\;
- высота, Н;
- радиус верхнего основания,
- начальный угол,
- конечный угол, Тепй;
- число разбиений по долготе, М (по углу 77);
- число разбиений по высоте, N2.
L.
Рис. 2. Параметры для описания конических и цилиндрических поверхностей
Данным набором параметров можно задавать следующие конические и цилиндрические поверхности: цилиндр (Ri = R2, H > 0, Tjstart = 0°, T]end = 360°), конус (Ri > 0, R2 = 0, H > 0, Tjstart = 0°, Tend = 360°), усечённый конус (Ri > 0, R2 < Ri, H > 0, Tstart = 0°, Tend = 360°), сектор конической поверхности (Ri > 0, R2 < Ri, H > 0, Tstart Ф 0°, Tend Ф 360°). Для задания таких фигур как призмы и пирамиды необходимо задавать соответствующее количество граней посредством определения параметра Ni.
На рис. 3. представлены параметры для описания параболических поверхностей. Параметрами для такого описания являются:
- радиус, Ri;
- высота, Hi ;
- высота отсечения, H2;
- начальный угол, Tstart;
- конечный угол, Tend;
- число разбиений по долготе, Ni (по углу t);
- число разбиений по высоте, N2.
Данным набором параметров можно задавать следующие параболические поверхности: пара-
бола в целом (Hi > 0, H2 = 0, Tstart = 0°, Tend = 360°), параболический пояс (Hi > 0, H2 < Hi, Tstart = 0°, Tend = 360°) или сектор параболического пояса (Н\ > 0, Н2 < Н\, ?/«„,., Ф 0°, тend Ф 360°) и т.п.
Y
R
z
Рис. 3. Параметры для описания параболических поверхностей
35i
На рис. 4 представлены параметры для описания плоских поверхностей типа круг.
у 1
z
Рис. 4. Параметры для описания плоских поверхностей типа круг
Параметрами для такого описания являются:
- внешний радиус, R\\
- внутренний радиус, R2;
- начальный угол, г/ю-и
- конечный угол, 77end;
- число разбиений по долготе, М;
- число разбиений по глубине, N2;
Наиболее простым для описания является такой вид плоских поверхностей, как прямоугольные площадки, параметрами описания которых являются:
- глубина, D;
- ширина, W;
- число разбиений по долготе, М;
- число разбиений по глубине, N2.
Общим для всех примитивов является параметр Surface, определяющий какая поверхность задаётся: внешняя, внутренняя или обе.
Язык описания ОГМ SL3D. Помимо учёта приведённых параметров предлагаемый язык должен содержать возможность описания положения центра примитива в строительной системе координат, а также возможность их разворота и масштабирования.
Наряду с параметрами, определяющими геометрию, должны быть параметры, задающие характеристики материалов и покрытий.
Учитывая, что язык должен иметь простую доступную для считывания параметров структуру авторами настоящей статьи предлагается следующее название языка: Simple language 3D, аббревиатура -SL3D (от англ. simple language - простой язык). Так как средства предлагаемого языка обеспечивают описание объектов в наглядном, легко воспринимаемом виде, то данный язык относится к языкам высокого уровня (high-level language) [33].
Ниже приведён заголовок и базовый блок языка.
SL3D v.1.0
Type Cone
Name Korpus
Translation 0 0 0
Rotation 0 0 0
Scale 1 1 1
Geometryl 1 2 1
Geometry2 0 360 36 361
Geometry3 1 2 3 4
MaterialOut S13G
MaterialIn S13G
Ключевая строка «Type» - тип поверхности, содержит строковый параметр, определяющий тип задаваемой поверхности: сферическая, цилиндрическая (коническая), параболическая, плоская круговая или плоская прямоугольная, которым соответствуют следующие ключевые слова: «Sphere», «Cone», «Parabola», «Circle» и «Plane».
Ключевое слово «Name» указывает на последующий через пробел строковый параметр, содержащий имя компонента.
Ключевое слово «Translation» указывает на последующие через пробелы три вещественных параметра, содержащих значения сдвига, в метрах, центра геометрического примитива относительно строительной системы координат, соответственно вдоль оси X, Y и Z.
Ключевое слово «Rotation» указывает на последующие через пробелы три вещественных параметра, содержащих значения последовательных разворотов, в градусах, геометрического примитива относительно строительной системы координат, соответственно вокруг осей X, Y и Z. Положительное направление разворота определяется по правилу буравчика. В данном случае такая система углов для разворота называется углами Эйлера.
Ключевое слово «Scale» указывает на последующие через пробелы три вещественных параметра, содержащих значения масштабных коэффициентов по осям X, Y и Z.
Ключевое слово «Geometry1» указывает на последующие через пробелы три вещественных параметра, содержащих значения радиусов и высот в зависимости от типа геометрического примитива (поверхности).
В табл. 1 приведены значения каждого из параметров «Geometry1» в зависимости от типа примитива.
Значения параметров «Geometryl»
Таблица 1
Cone Sphere Circle Parabola Plane
Номер в Geometryl Параметр описание параметра Параметр описание параметра Параметр описание параметра Параметр описание параметра Параметр описание параметра
1 R1 Радиус нижнего основания, м R Радиус сферы, м R1 Внешний радиус, м R Радиус, м W Ширина, м
2 H Высота, м Hl Высота отсечения снизу, м - - H Высота, м -
3 R2 Радиус верхнего основания, м H2 Высота отсечения сверху, м R2 Внутренний радиус, м H2 Высота отсечения, м D Глубина, м
Ключевое слово «Geometry2» указывает на последующие через пробелы параметры: гюи Tend, Ni, N2 и Surface. Параметры rstart и r¡end являются вещественными, а Ni, N2 и Surface целочисленными, причём Surface = i, определяет задание внешней поверхности, Surface = 2 - внутренней, а Surface = 3, определяет задание обеих поверхностей.
Ключевое слово «Geometry3» обозначает группу параметров, задающих в зависимости от типа примитива (плоского или осесимметричного) дополнительное смещение центра геометрического объекта: X по оси абсцисс, X2, Y2 B2 по осям абсцисс и ординат, а также по углу относительно оси ординат, данная информация используется при решении задач определения размеров и ориентации геометрических примитивов по прямым изображениям.
Ключевое слово «MaterialOut» указывает на последующий через пробел строковый параметр, содержащий название внешнего материала или покрытия.
Ключевое слово «Materialln» указывает на последующий через пробел строковый параметр, содержащий название внутреннего материала или покрытия.
Конкретные значения названий материалов и покрытий определяются базой материалов и покрытий, в которой представлена их номенклатура и оптические характеристики для каждого материала или покрытия.
Примеры использования SL3D. Пример ОГМ КО, описанной на языке SL3D посредством разработанного авторами программного комплекса «OGM Builder» приведён на рис. 5. На рисунке при-ведёна ОГМ основных конструктивных элементов итальянского экспериментального спутника связи Sirio i, запущенный на геостационарную орбиту в августе 1977 г., и выведенный из эксплуатации в 1985 г. В настоящее время данный спутник представляет собой объект космического мусора, находящийся в либрационном режиме около точки либрации 75° в.д.
;|гр-;| П^Т^Г ruprvl рг=| -Í-I
'Ьк.щъщвт** ОГ" - М80_Ррцм > _ttCpailQ6_
Рис. 5. Пример ОГМ, описанной на языке SL3D
353
С учётом изложенного, описание ОГМ КО осуществляется посредством последовательного приведения блоков, описывающих каждый из геометрических примитивов, представляющий заданный ФКЭ КО с учётом геометрических размеров, ориентации, материалов и покрытий.
На рис. 6 приведён пример расчёта индикатрисы силы излучения от данного КО в видимом диапазоне.
В ходе реального сеанса мониторинга КО в каждый момент времени формируются условия подсветки и наблюдения, которые определяются положением Солнца и Земли относительно орбитальной системы координат (ОСК), ориентацией самого КО в ОСК, а также ориентацией каждого элемента видимой поверхности его конструкции. Кроме того, средство наблюдения работает в спектральном диапазоне, определяемом его техническими характеристиками.
Для моделирования процесса наблюдения за КО в приведённом программном комплексе осуществляется расчёт условий орбитального движения КО, положений источников подсветки и наблюдения, спектральных энергетических характеристик источников подсветки, а также оптических характеристик материалов и покрытий ФКЭ КО для спектрального диапазона, в котором работает ОЭС.
Расширение SL3D в части использования сеточных моделей. Следует отметить, что неизбежно возникают ситуации, в которых приведённых геометрических примитивов недостаточно и возникает необходимость импорта сложных по форме сеточных моделей. Для таких случаев в предлагаемом языке предусмотрено расширение в виде сеточного описания 3D объектов. Оно позволяет получить информацию о вершинах и гранях, наряду с общими параметрами для примитивов, таких как, сдвиг центра (Translation), разворот относительно осей при помощи углов Эйлера (Rotation) и масштабирования (Scale).
Ниже приведён пример блока с сеточным описанием 3D объектов. В качестве прототипа для описания использован подход, применяемый во многих стандартах и форматах как, VRML, 3DS, OBJ и др. Наряду с параметрами сдвига, разворота и масштаба приведено последовательное описание вершин путём построчного приведения их координат. Для этого используется ключевое слово «Mesh» (от англ. mesh - сетка), указывающее, что геометрия данного объекта описывается не набором параметров, а в виде вершин и граней, а также имеются ключевые слова «VERTEX» и «FACES».
Через пробел после слова «VERTEX» приводится целочисленный параметр, указывающий на количество вершин в 3D модели. Начиная со следующей строки идёт описание каждой вершины посредством приведения трёх вещественных чисел, определяющих x, y z координаты вершины. После приведения координат всех вершин указывается Ключевое слово «FACES» (от англ. face - лицо, грань), определяющее, что в нижеследующих строках будет приведено описание граней (фасетов), а также после пробела указывается количество граней.
Далее в каждой строке приводятся последовательно, через пробел, номера вершин, из которых формируется грань. Лицевая сторона грани определяется по правилу буравчика. Так как для разбиения поверхности используется метод триангуляции, то каждая грань состоит из трёх вершин. Mesh
Name Korp01 Translation 0 0 0 Rotation 0 0 0 Scale 1 1 1 MaterialOut S13G VERTEX 3 0 0 0
1 1 0
1 0 0
FACES 1
3 2 1
Отметим, что при импорте параметры «Geometry!» - «Geometry3» не используются, а также не используется параметр «Materialln», поскольку нет информации о том, какая поверхность описывается -внутренняя или внешняя. Кроме того, форматом языка при экспорте моделей предусмотрено сохранение моделей не только в виде параметров, но и исключительно в виде сеток, что значительно расширяет его применимость и совместимость со многими популярными форматами.
Заключение. Предложенный высокоуровневый язык описания 3D моделей «SL3D» позволяет описывать сложные оптико-геометрические модели космических объектов посредством использования параметров, заданных в явном виде. Новизной языка является использование уникальной системы параметров для описания таких типов поверхностей как, сферические, параболические, конические и плоские поверхности круглого и прямоугольного типов. Отличительной особенностью предложенного языка является задание и считывание параметров геометрических примитивов в явном виде, что позволяет строить гибкие системы по решению обратных задач с обратной связью через перебор или изменение геометрических параметров по заданному закону с целью минимизации или максимизации параметров, входящих в критерии близости выходных сигналов.
Благодаря подходу, реализованному в предложенном языке, появляется возможность определять по результатам оптических наблюдений не только параметры ориентации космических объектов в целом или фрагментов космического мусора, но и параметры, связанные с формой и размерами их функционально-конструктивных элементов, что безусловно является актуальным при решении задач контроля техногенной обстановки в околоземном космическом пространстве.
Также структура предложенного языка позволяет строить компактное описание сложных моделей за счёт записей в виде параметров, что обеспечивает получение файлов с оптико-геометрическими моделями небольшого размера.
К недостаткам предложенного языка можно отнести ограниченный набор типов поверхностей, что не является серьёзным препятствием к его расширению. Самый простой способ - это использование расширения в виде использования сеточных моделей, которое предложено в настоящей статье. Тем не менее это лишает модель с таким расширением той гибкости, которая достигается за счёт явного использования параметров, поэтому в качестве перспективного преодоления указанного недостатка можно предложить расширить набор типов поверхностей добавив такие как, эллиптические, наклонные призмы и конусы и др., а также набор поверхностей описываемых сплайнами, но заданными в виде коэффициентов и правил формирования поверхности на основе этих сплайнов, другими словами сохранить задание параметров в явном виде. В части синтаксиса языка это отразится незначительным расширением ключевых слов в части типов поверхностей, а также добавлением некоторых наборов параметров в блоки «Ge-ometry», либо добавления нового такого блока или блоков.
С учётом сказанного можно утверждать, что предложенная структура языка является гибкой и имеет широкий потенциал для расширения, а круг обратных задач может выходить за пределы определения параметров ориентации космических объектов.
Кроме того, авторами разработан математический аппарат формирования вершин и граней для представленных типов поверхностей с учётом предложенного набора параметров для решения задач расчёта силы излучения и блеска от таких моделей с использованием метода конечных элементов в виде триангуляции поверхности. Данный математический аппарат не вошёл в настоящую статью по причине значительного увеличения её объёма, однако авторами планируется представление этого материала в последующих публикациях. Пример использования этого аппарата приведён на рис. 5 и рис. 6.
Таким образом, читателям представлен новый высокоуровневый язык описания 3D моделей «SL3D», позволяющий более гибко решать обратные задачи с использованием трёхмерных оптико-геометрических моделей.
Список литературы
1. ГОСТ Р 57412-2017. Компьютерные модели в процессах разработки, производства и эксплуатации изделий. Общие положения. М.: Стандартинформ. 2018. 11 с.
2. ГОСТ 2.052-2015 ЕСКД. Электронная модель изделия. Общие положения. М.: Стандартинформ. 2019. 11 с.
3. Solidworks Desktop 3D CAD. [Электронный ресурс] URL: https://www.solidworks.com/domain/design-engineering (дата обращения: 15.09.2022).
4. Ansys. Products. [Электронный ресурс] URL: https://www.ansys.com/products#t=ProductsTab&sort=relevancy&layout=card (дата обращения: 15.09.2022).
5. Autodesk. AutoCAD. [Электронный ресурс] URL: https://www.autodesk.ru/products/autocad/overview (дата обращения: 15.09.2022).
6. КОМПАС-3D. Система трехмерного моделирования КОМПАС-3D. [Электронный ресурс] URL: https://kompas.ru/kompas-3d/about (дата обращения: 15.09.2022).
7. Autodesk. 3ds Max. 3D modeling and rendering software for design visualization, games, and animation [Электронный ресурс]. URL: https://www.autodesk.eu/products/3ds-max/overview (дата обращения: 15.09.2022).
8. LightWave 2020. Fresh. Fast. Easy. Proven. [Электронный ресурс] URL: https://www.newtek.com/lightwave/2020 (дата обращения: 15.09.2022).
9. Blender Studio. About. [Электронный ресурс] URL: https://www.blender.org/about/studio (дата обращения: 15.09.2022).
10. Autodesk. Maya. 3D computer animation, modeling, simulation, and rendering software. [Электронный ресурс] URL: https://www.autodesk.eu/products/maya/overview (дата обращения: 15.09.2022).
11. ГОСТ Р 57306-2016. Инжиниринг. Терминология и основные понятия в области инжиниринга. М.: Стандартинформ. 2018. 10 с.
12. The OBJ file format and 3D printing go hand in hand. Find out all you need to know about OBJ file format for CAD and 3D printing in this guide. [Электронный ресурс] URL: https://all3dp.com/1/obj-file-format-3d-printing-cad (дата обращения: 15.09.2022).
13. OBJ8 (.obj) File Format Specification. [Электронный ресурс] URL: https://developer.x-plane.com/article/obj8-file-format-specification (дата обращения: 15.09.2022).
14. 3D Studio Mesh (3DS, PRJ) Files. [Электронный ресурс]. URL: https://knowledge.autodesk.com/support/3ds-max/learn-
explore/caas/CloudHelp/cloudhelp/2015/ENU/3DSMax/files/GUID-A16ECF7F-70E5-4F9F-8EAD-35F5CFB485A2-htm.html (дата обращения: 14.09.2022).
15. 3D Studio File Format (3ds). Autodesk Ltd. Document Revision 0.93 - January 1997. [Электронный ресурс]. URL: https://web.archive.org/web/20150321013218/http://www.the-labs.com/Blender/3dsspec.html (дата обращения: 14.09.2022).
16. The StL Format Standard Data Format for Fabbers Reprinted from Section 6.5 of Automated Fabrication by Marshall Burns, Ph.D. Used with permission. [Электронный ресурс]. URL: http://www.fabbers.com/tech/STL Format (дата обращения: 12.09.2022).
17. Autodesk. DXF Reference. AutoCAD 2012. February 2011. 262 p.
18. ISO 10303-21:2016. Industrial automation systems and integration. Product data representation and exchange. Part 21: Implementation methods: Clear text encoding of the exchange structure.
19. 3MF Core Specification. Version 1.2.3. Core Specification & Reference Guide. 3D Manufacturing Format. 2018. 32 p.
20. The Virtual Reality Modeling Language International Standard ISO/IEC 14772-1:1997 [Электронный ресурс]. URL: https://www.web3d.org/documents/specifications/14772/V2.0/index.html (дата обращения: 15.09.2022).
21. Extensible 3D (X3D). ISO/IEC 19775-1:2008. [Электронный ресурс]. URL: https://www.web3d.org/documents/specifications/19775-1/V3.2/Part01/Architecture.html (дата обращения: 15.09.2022).
22. Макаров Ю.Н. Мониторинг техногенного засорения космического пространства. Проблемы и решения // Наноиндустрия. М.: Техносфера, 2019. Т. 12. № 1 (87). С. 87-91.
23. National Aeronautics and Space Administration NASA'S efforts to mitigate the risks posed by orbital debris. Report No. IG-21-011. January 27, 2021. 41 p.
24. Молотов И.Е. Проблемы оптического мониторинга космического мусора / И.Е. Молотов [и др.] // Препринты ИПМ им. М.В. Келдыша. 2020. № 7. 17 с.
25. Inter-Agency Space Debris Coordination Committee (IADC). [Электронный ресурс]. URL: https://www.iadc-home.org/what iadc (дата обращения: 10.09.2022).
26. Интервью руководителя АСПОС ОКП Игоря Бакараса РИА «Новости». Госкорпорация «Роскосмос». [Электронный ресурс]. URL: https://www.roscosmos.ru/29054 (дата обращения: 16.09.22).
27. Тихонов А.Н., Арсенин В.Я. Методы решения некорректных задач. М.: Наука, 1986. 288 с.
28. Дмитриев А.К., Юсупов Р.М. Идентификация и техническая диагностика. Учеб. пособие для ввузов. МО СССР, 1987. 521 с.
29. Олейников М.И. и др. Использование моделей отражения для определения характеристик космических объектов по результатам оптических наблюдений // Вопросы радиотехники, серия «Техника телевидения». СПб.: НИИТ, 2020. Вып. 4. С. 26-35.
30. Левкина П.А. Физические и орбитальные характеристики объектов космического мусора по данным оптических наблюдений 01.03.01 - астрометрия и небесная механика диссертация на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук. М.: Институт астрономии РАН, 2016. 123 с.
31. Богоявленский А.И. и др. Моделирование спектроэнергетических характеристик космических объектов в оптическом диапазоне // Сибирский журнал науки и технологий. 2018. Т. 19, № 2. С. 200-211.
32. Клеймёнов В.В. и др. Принципы определения технического состояния КА по фотометрическим наблюдениям // Радиопромышленность. 2014. Вып. 1. С. 154-162.
33. Chowdhary K.R. On the Evolution of Programming Languages arXiv: 2007.02699v1 [cs.PL] 27
Jun 2020.
Олейников Максим Иванович, канд. техн. наук, старший научный сотрудник лаборатории, vka@mil.ru, Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А. Ф. Можайского,
Лутов Игорь Олегович, канд. техн. наук, старший научный сотрудник лаборатории, Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А. Ф.Можайского,
Королев Степан Юрьевич, канд. техн. наук, начальник лаборатории, Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А. Ф.Можайского,
Протасова Арина Валерьевна, младший научный сотрудник лаборатории, Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А. Ф.Можайского
LANGUAGE OF PARAMETRIC DESCRIPTION OF OPTICAL-GEOMETRIC SCENES IN TECHNICAL
VISION PROBLEMS
M.I. Oleynikov, I.O. Lutov, S.Y. Korolev, A.V. Protasova
The article proposes a high-level language for describing optical-geometric scenes with man-made objects, based on the representation of three-dimensional models as a set of explicitly specified parameters. An analysis of stable languages for describing three-dimensional scenes and file formats for their representations has been carried out. Examples of constructing optical-geometric models of technogenic objects using the presented language are given, as well as an example of calculating the indicatrix of the Radiant intensity that creates such an object for given lighting and observation conditions.
Key words: optical-geometric model, language for describing three-dimensional models, parametric description of optical-geometric models, geometric primitive, calculation of solution force, solution of inverse problems, technical vision.
Oleynikov Maksim Ivanovich, candidate of technical sciences, senior researcher of laboratory, vka@mil.ru, Russia, St. Petersburg, Mozhaisky Military Aerospace Academy,
Lutov Igor Olegovich, candidate of technical sciences, senior researcher of military institute (research), vka@mil.ru, Russia, St. Petersburg, Military Space Academy of Mozhaisky,
Korolev Stepan Yurievich, candidate of technical sciences, head of the laboratory, Russia, St. Petersburg, Military Space Academy named after A.F. Mozhaisky,
Protasova Arina Valer'yevna, junior researcher, Russia, St. Petersburg, Mozhaisky Military Aerospace Academy
УДК 004
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-12-357-361
НАПРАВЛЕНИЯ ПОСТРОЕНИЯ АДАПТИВНОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ МЕХАНИЗМОВ
А.В. Ивановская
Методы численного моделирования получили широкое применение, но, как известно, кроме количественных оценок процесса, зачастую важнее найти его качественные показатели, что возможно только при условии наличия аналитических методов решения задачи определения параметров динамики движения механической системы, позволяющие получить зависимости, которые можно использовать при проектировании автоматизированной системы. В данной статье рассмотрены направления построения адаптивной системы управления техническими объектами, в основе которой положена разработка математической модели динамики механической системы с переменными параметрами.
Ключевые слова: динамическая модель системы, адаптивная система управления.
Для судовых компрессоров, вентиляторов, роторов, навивочных барабанов и других установок, имеющих значительную массу, при движении с большой частотой и скоростью могут возникать сложные динамические процессы не только в переходных режимах при пусках и торможении, но иногда и при установившемся режиме. Это все может привести к аварийным ситуациям или отказам в работе оборудования. Для обеспечения надежности, долговечности и работоспособности машин и механизмов перспективным направлением является внедрение адаптивной системы управления, которая бы незамедлительно реагировала на изменение параметров работы механической системы.
