ИНСТИТУТ ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКОЙ ИНФОРМАТИКИ
142284, Московская обл, г.Протвино, Заводской пр. 6, ИНН 5037002412

ПРОЕКТ

«Создание технологии виртуального окружения для решения проблем распознавания космических аппаратов и оценки их параметров по земным наблюдениям»

Шифр VEka

Директор проекта
кандидат тех. наук Владимир Алешин

© Институт физико-технической информатики, 2005

Протвино — Москва
2005

Аннотация

Интенсивное освоение космического пространства повышает актуальность задач распознавания и оценки состояния космических аппаратов (КА) по радиолокационным и оптическим сигналам, получаемых наземными наблюдательными средствами (радиолокаторами и телескопами). Особенно возрастает важность задач распознавания КА при решении проблем безопасности в космическом пространстве и при анализе техногенного загрязнения космического пространства с точки зрения экологической проблемы и «космического мусора» для контроля выполнения международных соглашений. Подобного рода задачи относятся к классу обратных задач, которым свойственен большой уровень некорректности и плохая обусловленность. Такие же задачи возникают и в смежных прикладных областях: компьютерное зрение роботов, автоматический контроль безопасности дорожного движения по видеоинформации, медицинская диагностика, томография и ряд других. Хорошо известно, что решение таких задач связано с обработкой огромного объёма информации сложной структуры, которую трудно интерпретировать, не прибегая к предварительному исследованию с помощью активного взаимодействия с компьютером. Технология виртуального окружения представляет собой новое мощное направление для человеко-машинного взаимодействия, основанное на погружении исследователя в пространство модели с прямым манипулированием данными. Возможности этой новой технологии и её преимущества для решения проблем, связанных с распознаванием образов и оценкой параметров, хорошо известны и привели к интересным результатам во многих областях науки и техники. В рамках предлагаемого проекта будет разработана методология решения обратных задач и решения проблемы некорректной постановки на базе современных средств трёхмерной компьютерной графики и технологии виртуальной реальности. В частности, будут разработаны алгоритмы и программные средства для решения следующих задач:

Применение средств визуализации и технологии виртуального окружения позволит провести методологический анализ разработанных новых технологий, связанных с фундаментальными проблемами исследования Космоса.

1 Актуальность проекта

Актуальность разработки конструктивных общих алгоритмов и программ решения некорректных обратных задач математической физики общеизвестна. Решение проблемы некорректности с помощью современной технологии виртуальной реальности приносит новые возможности повышения эффективности данных алгоритмов на основе использования априорных ограничений на трёхмерную форму объектов. Особенно ответственно решение прикладных обратных задач в аэрокосмической отрасли. Хорошо известна расхожая фраза, приписываемая Рональду Рейгану: — «Кто владеет космосом — тот владеет миром». Интенсивное освоение космического пространства повышает актуальность задач распознавания и оценки состояния космических аппаратов по радиолокационным и оптическим сигналам, получаемых наземными наблюдательными средствами (радиолокаторами и телескопами). Напомним проблему оценки собственного вращения аварийной орбитальной станции «Салют-7» в процессе организации ручной стыковки с кораблём Союз, проведённой космонавтом Джанибековым, и проблему оценки ориентации станции «Мир» в процессе её затопления. Об актуальности исследований в данном направлении свидетельствует один пример из опыта эксплуатации долговременной орбитальной станции «Мир». После столкновения грузового корабля «Прогресс» со станцией 3D-реконструкция развития событий, предшествовавших столкновению и зафиксированных в базе данных состояний КА, позволила получить адекватную картину взаимного движения корабля и станции и обнаружить наиболее вероятное место повреждения конструкции станции. Оказалось, что без анализа поведения виртуальных 3D-моделей, только лишь на основе имеющейся телеметрической и траекторной информации сделать это было практически невозможно. Оперативное проведение такого анализа оказалось сложной проблемой, поскольку отсутствовала необходимая инфраструктура получения релевантных данных, не было методики их обработки и преобразования в форму, позволяющую воспроизвести адекватную картину событий в виртуальном окружении. Для обработки данных и получения результатов понадобилось несколько недель. В то же время, при наличии соответствующей инфраструктуры, математического и программного обеспечения можно было бы не только проследить развитие событий в реальном времени, но и, вероятно, даже предотвратить столкновение. В последнее время возрастает важность задач распознавания КА для контроля выполнения международных соглашений при анализе техногенного загрязнения космического пространства с точки зрения экологической проблемы и «космического мусора».

2 Направление исследований

Данный проект направлен на решение фундаментальных проблем исследования космоса, проблем математического моделирования и распознавания образов, проблем решения задач в некорректной постановке и обратных задач плохой обусловленности, связанных с обработкой различного вида сигналов и оптических изображений. Такие проблемы возникают в аэрокосмической отрасли (в задачах обработки данных астрономических наблюдений через турбулентную атмосферу), в системах компьютерного зрения роботов, в задачах автоматического контроля безопасности дорожного движения по видеоинформации, в медицинской диагностике, в частности, в томографии. Круг потенциальных пользователей результатов данного проекта весьма широк — это, прежде всего, исследователи и инженеры, реализующие алгоритмы и программы решения обратных задач (по предварительным оценкам более 1000 человек).

В частности, в аэрокосмической отрасли потенциальными пользователя будут сотрудники:

3 Значимость и цели

Целью данного проекта является создание технологии виртуального окружения для решения широкого класса задач, связанных с обнаружением, распознаванием и определением параметров космических аппаратов по земным наблюдениям. При этом большое внимание будет уделено разработке комплекса алгоритмов и программ обработки сигналов и оптических изображений, использующие априорную информацию и ограничения на трёхмерную форму анализируемых объектов.

В рамках предлагаемого проекта будет разработана методология решения обратных задач и решения проблемы некорректной постановки на базе современных средств трёхмерной компьютерной графики и технологии виртуальной реальности. В частности, будут разработаны алгоритмы и программные средства для решения следующих задач:

Применение средств визуализации и технологии виртуального окружения позволит провести методологический анализ разработанных новых технологий, связанных с фундаментальными проблемами исследования Космоса.

4 Обзор текущего состояния

По оценкам специалистов в настоящее время в мире действует более сотни установок виртуального окружения, которые приносят ощутимую пользу в самых разнообразных областях применения. Наиболее серьёзные результаты получены на авиационных и автомобильных тренажёрах, в системах подготовки экипажей торговых судов и военных кораблей, в задачах проектирования автомобилей, при тренировках космонавтов работе в условиях невесомости, при исследованиях и разработке нанотехнологий, и др. Современные вычислительные системы позволяют моделировать самые сложные объекты и явления природы и решать задачи, недоступные прямой экспериментальной проверке. Суперкомпьютеры (наиболее мощные на текущий момент машины) и кластерные вычислительные системы позволяют достаточно полно и точно моделировать различные объекты и явления, рождённые богатым воображением исследователей.

Анализ литературных источников и докладов на конференциях и семинарах показывает, что в настоящее время исследователи занимаются поиском подходов к использованию технологии виртуального окружения в аэрокосмической отрасли. Близких аналогов предлагаемых платформно-независимых систем для решения комплекса обратных задач наблюдения, распознавания, визуализации и оценивания КА в литературных источниках не обнаружены. Известны решения отдельных задач, рассмотренных в представленном проекте, в частности, имеется пакет Sattelite Tool Kit фирмы AGI, реализованный под операционной системой Windows, который позволяет, в основном, производить траекторные расчёты и визуализировать КА в трёхмерной сцене.

Аналогичные отечественные программы так же ограничиваются частными решениями. Хорошо известны проекты по синтезу изображений, полученных различными источниками наблюдений, однако, в основном, они решают задачи реконструкции земной поверхности по спутниковым снимкам. Аналогичные задачи для наблюдений КА с Земли принципиально являются более сложными. До последнего времени было предложено лишь несколько технических приёмов решения поставленных в проекте задач для специальных приложений.

Общие концепции, применимые для использования в технологии виртуального окружения к самым различным (в том числе и не числовым) приложениям, а также полный математический анализ существующих методов до сих пор не разработан.

Быстрое развитие архитектуры персональных компьютеров позволяет на сегодняшний день создавать вычислительные комплексы для моделирования и визуализации большой производительности, используя технику распределённых систем и параллельных вычислений. Преимущество таких комплексов заключается в их относительно невысокой стоимости, что обеспечивает им перспективу широкого распространения. Аналогов создаваемой системе в предлагаемой ценовой категории пока не имеется, хотя известно, что аналогичные исследования готовятся в NASA, в Европейском космическом агентстве и в Китае.

5 Общая характеристика создаваемой системы

Создаваемая технология предполагает наличие программно-аппаратного комплекса, выполняющего следующие функции: 

Для визуализации используется распределённая гетерогенная система отображения, в состав которой входят центральный и периферийные посты визуализации. Существенной особенностью вычислительного комплекса, обеспечивающего визуализацию является то, что центральный и периферийные посты оснащаются выделенными вычислительные узлами, которые образуют распределённую вычислительную систему. Каждый узел может представлять собой кластер на базе высокопроизводительного коммутатора, тем самым обеспечивается необходимая производительность — система получается масштабируемой в соответствии с объёмами растра, и легко наращивается по необходимости. Кроме этого обеспечивается также синхронизированный и пространственно-согласованный доступ к данным о состоянии виртуального окружения, и, таким образом, обеспечивается согласованное погружение всех систем визуализации в единое виртуальное пространство. Программным инструментарием для создания распределённых интерактивных приложений предполагается пакет Аванго.

Аванго — разработанная во Фраунгоферовском институте медиакоммуникаций среда программирования предназначена для формирования приложений виртуального окружения. Аванго использует язык программирования C++ для определения двух категорий объектов — узлы и датчики. Узлы составляют объектно-ориентированный граф сцены, который осуществляет представление и отображение сложной геометрии. Датчики обеспечивают связь с реальным миром и используются, чтобы вводить данные с внешних устройств в приложение. Все объекты Аванго — полевые контейнеры, представляющие информацию о состоянии объекта как совокупность полей. Объекты Аванго поддерживают универсальный потоковый интерфейс, который позволяет записывать в поток объекты и информацию об их состоянии, и впоследствии реконструировать эти данные из потока. Аванго определяет связи между полями, формируя граф потоков данных, который является концептуально ортогональным к графу сцены и служит для ввода в сцену реальных данных, необходимых для моделирования интерактивного поведения. В дополнение к C++ Аванго поддерживает интерпретируемый язык Схема (Scheme).

Схема — универсальный язык программирования, происходящий от Алгола и Лиспа. Это язык высокого уровня, который умеет оперировать со структурными данными, такими как строки, списки и векторы. Все объекты Аванго могут быть описаны на Схеме. Аванго использует графическую систему OpenGL Performer, которая позволяет достигнуть максимально возможного ускорения графики и также обладает рядом специальных свойств, необходимых при разработке VE приложений. Расширенные задачи, такие как стирание невидимых граней, переключение степени детализации и связь с аппаратным обеспечением, целиком выполняются системой OpenGL Performer.

Программное обеспечение всей системы в целом строится на базе ОС Linux средствами инструментальной системы виртуального окружения Аванго и языка С++. Разрабатываемый комплекс программ должен обеспечивать платформно-независимое функционирование на основе технологии JAVA. Комплекс проверяется на следующих операционных системах: Linux, Windows NT-XP, Solaris. В качестве аппаратных платформ используются высокопроизводительные персональные компьютеры и рабочие станции Sun. В качестве СУБД может использоваться любая система, поддерживающая драйвер JDBC. При разработке будут использоваться инструментальные средства RAD JBuilder, а также CASE-технологии, интегрированные с технологиями JAVA (Together JB). Для разработки программ будет применяться современный язык моделирования UML. В качестве формата графического метафайла выбран достаточно распространённый формат WaveFront.

6 План реализации проекта

Работа проводится в три этапа.

Этап 1. Январь-декабрь 2005: Разработка концепции, анализ применения технологии виртуального окружения и определение круга задач, для решения которых будет применяться создаваемая технология, закупка и частичная установка оборудования, разработка теоретических принципов алгоритмов, построение архитектуры программного обеспечения (ПО) и выбор соответствующих шаблонов (patterns) и каркасов (frameworks) проектирования, разработка классов на языке JAVA для загрузки трёхмерных объектов и создания трёхмерных сцен, программная реализация визуализации и управления источниками освещения и параметрами движения трёхмерных объектов.

Этап 2. Январь-декабрь 2006: разработка программ на языке JAVA для формирования оптических изображений, фотометрических и радиолокационных сигналов по трёхмерным моделям наблюдаемых объектов, разработка каталога трёхмерных моделей для КА, разработка программ оценки собственного вращения объектов по оптическим изображениям, фотометрическим и радиолокационным сигналам, программы оценки формы и классификации объектов по их электромагнитному отражённому излучению, проверка данных программ по реальным полученным сигналам.

Этап 3. Январь-декабрь 2007: разработка программ восстановления оптических изображений, искажённых турбулентной атмосферой с использованием информации и ограничений на трёхмерную форму объектов, эксплуатация разработанного комплекса программ по реальной информации, оценка их эффективности и разработка предложений по дальнейшему их развитию.

К концу первого года выполнения проекта должна быть выработана концепция применения технологии виртуального окружения на имеющейся конфигурации программно-аппаратных средств для визуализации ряда определённых КА. Будет произведена частичная закупка и дооснащение имеющегося комплекса технических средств. Будут подготовлены укрупнённые базовые геометрические модели типовых КА. Будет разработано программное обеспечение на языке JAVA, позволяющее визуализировать трёхмерные объекты, управлять параметрами сцены. Будет разработано программное обеспечение на языке JAVA отображения движения КА на фоне Земли и в картографической проекции. Будет сформирована база данных и создана программа визуализации фотометрических, радиолокационных сигналов и оптических изображений с загруженной реальной информацией.

Персонал

Руководящим персоналом проекта и исполнителями проекта являются:

Каждый руководитель направления будет подбирать конкретных исполнителей, исходя из характера решаемых задач и объёма работ. Предполагается, что в проект будет вовлечено около 15 человек, значительную часть которых будут составлять студенты и аспиранты.

7 Имеющийся задел по данному проекту

При поддержке РФФИ (гранты 01-07-90327, 02-01-01139) были проведены работы по созданию системы виртуального окружения на кластере PC (VEonPC). Участниками проекта разработаны программы визуализации и подробные трёхмерные модели КА (орбитальная станция «Мир» и Международная космическая станция). Участниками проекта разработаны прототипы программ обработки фотометрической информации для системы наземных наблюдательных оптических астрономических средств.

Научные результаты, полученные при выполнении этих проектов были доложены на Международных конференциях и семинарах по научной визуализации в США, Германии и России. Созданные программные инструментальные средства для визуализации многомерных научных данных демонстрировались на выставках CeBIT и MESSE в Ганновере, Германия.

Теоретические и прикладные принципы решения обратных задач, применительно к космическим аппаратам, а также опыт применения технологии виртуального окружения были изложены и опубликованы в работах участников проекта.

Список избранных публикаций авторов по теме проекта включает:

[ ] В.П. Алешин, А. И. Голубев, Принципы создания экспертной системы распознавания искусственных спутников Земли, Доклад на 1 Всесоюзной конференции по новым методам распознавания и обработки оптических изображений, доклад, Минск, 1991 г .

[ ] В.П. Алешин, В.Я. Грошев, В.В. Лавров, Ю.Г. Рындин, В.Д. Шилин, Сбор, обработка и анализ информации для экспертизы аварийных ситуаций при развёртывании и эксплуатации спутниковых телекоммуникационных систем гражданского и двойного назначения, Международная специализированная выставка-конференция «Новые технологии в радиоэлектронике и системах управления», Нижний Новгород 3-5 апреля 2002г.

[ ] Клименко С.В., Никитина Л.Д., Никитин И.Н., Графический ускоритель, использующий анализ видимости объектов для отрисовки сцен высокой сложности. с.41, в трудах 2-й Международной конференции по виртуальным окружениям на кластерах персональных компьютеров, VEonPC'2002, Протвино, изд. ИФТИ, ISBN 5-88835-011-7; Исследовано в России, 36 (2003) с.389-396.

[ ] Никитина Л.Д., Никитин И.Н., Фролов П.В., Геббельс Г., Гебель М., Клименко С.В., Нильсон Г.М., Моделирование деформаций упругих объектов в виртуальном окружении в реальном времени, использующее МКЭ и предвычисленные функции Грина. Исследовано в России, 26 (2003) с.267-276.

[ ] Афанасьев В.О., Бровкин А.Г., Корниевский А.Н., Подобедов В.П., Семченко В.С., Томилин А.Н. Исследование и разработка системы интерактивного наблюдения индуцированной виртуальной среды (системы виртуального присутствия). В сб. Космонавтика и ракетостроение, No. 16, 1999.

[ ] Алешин В.И., Афанасьев В.О. Система отображения состояния орбитального комплекса сложной структуры. В сб. Космонавтика и ракетостроение, No.25 , 2001.

8 Вклад в науку и технологию

Имеется достаточно широкий круг фундаментальных проблем алгебраической топологии, теоретической механики, общей и квантовой физики, не имеющих прямых и легко представимых аналогий и несущих огромный объем информации сложной структуры, который часто трудно интерпретировать, не привлекая какие-либо визуальные образы. Технология виртуального окружения позволяет активно привлечь интуицию исследователя и его способность «понимать» изображения за счёт его помещения в искусственный мир модели исследуемого явления, а также за счёт обеспечения ему возможности интуитивно простого (прямого) манипулирования данными в пространстве модели.

Созданный в результате выполнения данного проекта программно-аппаратный комплекс будет открыт для доступа как отдельным отечественным исследователям, так и целым коллективам, занимающимся решением фундаментальных проблем исследования космоса с помощью технологии научной визуализации и виртуального окружения. Созданные методы, алгоритмы и программы будут доступны через Интернет на специальном сайте, который будет отражать состояние выполнения проекта.

Технологическую основу проекта определяют аппаратно-программные средства, необходимые для использования результатов проекта, должны включать следующие компоненты технологии виртуального окружения:

В качестве рабочих мест индивидуальных пользователей годится любая современная вычислительная техника (PC, рабочие станции SUN, SGI) с установленной виртуальной JAVA-машиной. Для хранения информации возможно применение любой СУБД, поддерживающей JDBC драйвер. В качестве видео-карты желательно выбирать наиболее производительные видео-карты, поддерживающие команды OpenGL на аппаратном уровне.

Эффективная и широкомасштабная система визуализации в виртуальном окружении откроет для научных работников и инженеров перспективы более широкого осмысления больших выборок данных, полученных в результате экспериментальных исследований и компьютерного моделирования. В результате существующие математические модели сложных физических явлений могут быть подвергнуты детальной проверке и,при необходимости, в короткие сроки скорректированы. В конечном итоге, глубокое осознание парадигмы общей визуализации данных должно привести к лучшему пониманию аэродинамики автомобилей и летательных аппаратов, поведения мирового океана и атмосферы, упругих характеристик кузовов автомобилей, сварочных конструкций, зданий и материалов в широком смысле.

9 Стоимость и сроки выполнения проекта

Стоимость этого проекта будет определяться временем его выполнения, стоимостью необходимого нового оборудования и комплектующих, оплатой услуг подрядчиков по монтажу и юстировке проекционных систем и суммарной зарплатой главных специалистов, исполнителей и подрядчиков. Все затраты по первому году реализации проекта отражены в приведённой ниже смете.

Предварительно, оценочная стоимость всего проекта составит 10 миллионов рублей. На первый год запланировано несколько больше одной трети, так как на этом этапе будет проводиться тестирование проекционного оборудования и средств отображения трёхмерной графики с целью выбора оптимальной конфигурации системы виртуального окружения и схем реализации стереоэффектов. Конфигурация базовой установки, на которой будет проведено тестирование и реализация основных демонстрационных моделей, приведена в разделе 4.

В базовую установку входит 4 компьютера HP X4000 общей стоимостью 780 тыс рублей; маршрутизатор вместе с сетевым оборудованием — 90 тыс рублей; комплект видео-карт для тестирования — 200 тыс рублей.

Запланированный переход на Gigabit Ethernet на втором этапе и закупка дополнительного оборудования для формирования полномасштабной VE установки будет стоить порядка 1,5 млн. рублей с учётом ожидаемого снижения цен на оборудование, определённое на первом этапе.

Для пассивного стерео запланировано использование мультимедиа-проекторов Toshiba TLP780 (LCD) 1024x768 XGA, металлизированного экрана типа silver screen, поляризационных фильтров на проекторы и поляризационных очков для пользователей — общей стоимостью 450 тыс рублей.

Для активного стерео и создания установки типа CAVE (CyberStage) необходимо будет использовать на один экран один мультимедиа-проектор VRex VR-4200 Stereoscopic Projector стоимостью около 480 тыс рублей. Оценочная стоимость¹ такой установки с четырьмя экранами составит порядка 3,21 млн рублей. Однако, судя по предыдущей динамике цен на такое оборудование, к концу 2004 года, когда надо будет планировать затраты на второй этап проекта, эта сумма будет значительно снижена.

Три года потребуется на успешное завершение этого проекта. Представляется разумным, чтобы вклад Минпромнауки в полную стоимость проекта составлял примерно одну треть . Участники ожидают получить дополнительное финансирование для исследований в рамках данного проекта от других фондов из стран-участниц проекта и инвестиций от заинтересованных финансовых и промышленных организаций.

10 Перечень оборудования и материалов, имеющихся у коллектива для выполнения проекта:

Коллектив авторов оснащён современной вычислительной техникой и проекционным оборудованием, включающей:

Список используемых сокращений и обозначений

¹Для сравнения стоимость традиционной установки CAVE на базе компьютера SGI Onyx и проекторов Barco/TAN превышает $2M.