LibRar.Org.Ua — Бібліотека українських авторефератів

Загрузка...

Головна Електроніка. Обчислювальна техніка → 3d-моделирование для тренажеров

3D-МОДЕЛИРОВАНИЕ ДЛЯ ТРЕНАЖЕРОВ


3D-MODELING FOR SIMULATORS


Братчиков Игорь Леонидович.

Доктор физико-математических наук, профессор, профессор факультета прикладной математики – процессов управления Санкт-Петербургского государственного университета.

Россия, 199155, Санкт-Петербург, ул. Железноводская, д. 52, кв. 34;

телефон (812) 350-35-12;

e-mail: Igor.Bratchikov@pobox.spbu.ru.


Привалова Дарья Владимировна.

Аспирантка 2-го курса факультета прикладной математики – процессов управления Санкт-Петербургского государственного университета.

Россия, 188542, Ленинградская обл., г. Сосновый Бор, ул. Молодежная, д. 37, кв. 135;

телефон: (269) 44633;

e-mail: pdv@sbor.ru.



Аннотация

В докладе рассматривается оригинальная система 3D-моделирования, ориентированная на использование в тренажерах. Система была разработана для тренажера, имитирующего процесс загрузки/выгрузки ядерного топлива для реактора типа РБМК атомной электростанции. Однако, она может применяться и в других тренажерах в случаях, когда обучение персонала на реальных объектах затруднено или невозможно. Тренажеры с подобной системой позволяют визуально изучать процессы, происходящие внутри производственных установок и тем самым сократить вероятность возникновения ошибок персонала.


Abstract

An original system of 3D-modeling intended for training simulators is considered. The system has been created for the simulators imitating the refueling process of nuclear fuel for RBMK type reactor of nuclear power plant. However it can be used in other simulators in cases when training of personnel on real units is difficult or impossible. Simulators with such a system allows to study processes taking place inside industrial plants by sight and thereby to reduce the probability of personnel mistakes.



В настоящее время весьма актуальной является задача создания производственных тренажеров с применением в них систем трехмерной визуализации для оперативного отображения информации о состоянии сложных объектов. Такие тренажеры могут значительно улучшить и компьютеризированный процесс обучения, и операционную эффективность производственного процесса.

Хотя уже создано большое число пакетов и средств 3D-моделирования, их использование в производственных тренажерах затруднено, так как остается неясным ряд важных вопросов: в каких ситуациях необходимо использовать некоторый пакет визуализации, как осуществить интерактивное взаимодействие с пользователем и работу в режиме реального времени. Неясно также, каким образом сделать объекты фотореалистичными, т.е. узнаваемыми, и при этом обеспечить приемлемую цену необходимого аппаратного обеспечения.

В связи со сказанным разработка оригинальной системы 3D-моделирования, ориентированной на использование в тренажерах, представляется вполне актуальной.

Наглядным пособием для обучаемого по сей день служат схемы, фотографии и видеофильмы с изображением отдельных частей машины загрузки/выгрузки ядерного топлива для реактора типа РБМК (в дальнейшем РЗМ). Однако они не дают исчерпывающего представления о конструкции машины, а наблюдать процесс ее работы просто невозможно, так как вся ее конструкция скрыта под корпусом, который служит для защиты от радиации.

Поэтому для тренажера, имитирующего процесс загрузки/выгрузки ядерного топлива для реактора типа РБМК, была разработана система 3D-моделирования, которая удовлетворяет следующим требованиям:

  • Отображаемые трехмерные графические объекты должны быть фотореалистичными и легко узнаваемыми, так как они соответствуют реально существующим объектам.

  • Для повышения эффективности процесса обучения необходимо выделение особо значимых функциональных деталей объектов.

  • Система отображения трехмерных графических объектов должна допускать интерактивное взаимодействие с обучаемым, а также с комплексом технических средств и математической моделью, описывающей процессы реальной системы.

  • Для обеспечения работы тренажера в режиме реального времени, необходимо максимально оптимизировать процесс отображения совокупности трехмерных графических объектов в зависимости от характеристик аппаратного и программного обеспечения, необходимого для отображения этой совокупности.

    Эти требования были сформулированы таким образом, чтобы разработанная система могла быть использована не только для упомянутого выше тренажера, но для других тренажеров, имитирующих трудно доступные процессы, происходящие внутри различных производственных установок.

    Средством описания совокупности трехмерных графических объектов был выбран язык моделирования виртуальной реальности VRML 2.0 (Virtual Reality Modeling Language). Этот язык выбран по следующим причинам:

  • VRML 2.0 – интерактивный язык. Объекты VRML-миров не только воздействуют на другие объекты и миры, но и сами подвергаются воздействию со стороны последних. Благодаря этому выполняется третье требование, налагаемое на систему 3D-моделирования.

  • Программы на VRML представляют собой текстовые описания, а не данные в специализированных форматах. Учитывая это, можно генерировать VRML-код автоматически при помощи соответствующих программ, написанных на различных языках программирования, например, на языке С++. Это качество языка VRML особенно важно при создании очень сложных графических объектов. Если геометрия особо значимых функциональных деталей некоторых сложных механизмов будет прорисована неточно, то при работе тренажера в режиме реального времени будет хорошо заметна некорректная работа самого механизма.

  • Существует возможность экспорта данных различных форматов в формат VRML 2.0. Эту возможность включает в себя большинство различных пакетов визуализации, которые помогают создавать высококачественные VRML – объекты и миры. В создаваемой системе 3D-моделирования предпочтение отдано графическому редактору 3ds max 4, который является мощным инструментом для создания сложных фотореалистичных графических объектов. Благодаря этому выполняется первое и второе требования, упомянутые выше.

    Большое значение для успешного применения тренажеров имеет фотореалистичность изображений. Изображение считается фотореалистичным, если оно выглядит как настоящая фотография. Добиться фотореалистичности для трехмерных графических объектов, разработанных для тренажеров, можно следующими методами:

    • точным моделированием некоторой реальной конструкции с множеством деталей;

    • моделированием материала объекта для придания этому объекту промышленного вида;

    • фотореалистичной разработкой поверхностей объектов.

    Рассмотрим каждый из этих методов в отдельности.

    РЗМ – очень сложный механизм со множеством подвижных деталей. Поэтому при создании трехмерных графических моделей этой конструкции были использованы многочисленные машиностроительные чертежи с погрешностью размеров изображенных деталей менее 1 мм. Такая точная прорисовка важных функциональных деталей значительно увеличивает реалистичность их изображения. Чтобы обеспечить их бльшую достоверность, в объекты были включены знакомые детали, такие как болты, шпильки, гайки и т.д. Хотя эти элементы являются в объектах второстепенными, они усиливают правдоподобие изображения.

    Требование реалистичности к трехмерным моделям вызвало необходимость ввода различных деталей, которые свидетельствовали бы их промышленное происхождение. При моделировании РЗМ было использовано несколько методов для придания объектам «промышленного вида»: на них изображались места соединения деталей, швы сварки, цвет покраски, различные малозначащие элементы конструкции. В целях экономии аппаратных ресурсов эти элементы были изображены не с прорисовкой геометрии, а при помощи текстур.

    Материал, из которого в основном изготовлены все элементы РЗМ, – это сталь, которая является материалом серебристого цвета с особыми значениями параметров диффузного и зеркального отражения. Для достижения фотореалистичности следовало бы сдела


  •