Лаборатория № 18 «Компьютерной графики»

Лаборатория как самостоятельное подразделение была создана по инициативе директора Института академика В. А. Трапезникова 1 октября 1978 г. Руководит лабораторией доктор технических наук, профессор Евгений Иванович Артамонов. Лаборатория создана на основе группы сотрудников лаб. № 29, которой в то время заведовала д.т.н., профессор Елена Карловна Круг.

Теоретическая и практическая деятельность лаборатории связана с разработкой методов проектирования интерактивных систем (ИС), реализованных в виде технических или программных средств. Под интерактивными понимаются системы, взаимодействующие через устройства ввода-вывода с объектом или пользователем в реальном масштабе времени. В интерактивных системах из-за особенностей внешних устройств и систем используется большое разнообразие форматов обрабатываемых данных, в том числе графических, что существенно усложняет выбор структуры ИС.


ЕВГЕНИЙ ИВАНОВИЧ АРТАМОНОВ РУКОВОДИТ СВОЕЙ ЛАБОРАТОРИЕЙ 31 ГОД

Артамонов Евгений ИвановичБудущий профессор, д.т.н., зав. лаб. № 18 ИПУ РАН Евгений Иванович Артамонов пришёл в Институт в 1955 г. в возрасте 20 лет по окончании Московского электромеханического техникума. Потом была армия (1956–1959), по завершении воинской службы — возвращение в ИАТ, и учёба на вечернем отделении МЭИ (окончил в 1965 г.). Начинал он техником, потом был инженером, старшим научным сотрудником и, наконец (с 1978 г.), заведующим Лабораторией компьютерной графики, специализированных технических и программных средств.

С 1965 по 1972 гг. Е. И. Артамонов разрабатывает теоретические основы синтеза структур специализированных вычислительных устройств, создаёт и внедряет в промышленность ряд устройств, среди которых наибольший интерес представляла система смешения бензинов «Поток-1». Система была разработана совместно ИПУ и Рязанским филиалом НПО «Нефтехимавтоматика» и внедрена на Грозненском НПЗ. Работа проводилась под общим руководством д.т.н., проф. Е. К. Круг. Впервые в России была изменена технология смешения бензинов от последовательного покомпонентного на параллельное смешение за счет турбулентного движения жидких компонентов в общем трубопроводе.

В 1972 г. Е. И. Артамонов защитил кандидатскую диссертацию на тему «Синтез структур специализированных технических средств».

С конца 60-х годов Евгений Иванович приступает к разработке принципов построения программного обеспечения систем автоматизированного проектирования (САПР). Им предложен новый подход к структурной организации систем проектирования, напоминающий аппаратную реализацию спецпроцессоров, когда выделяются инвариантная по отношению к решаемым задачам часть систем, включающая в свой состав средства взаимодействия пользователя

с системой и внешними устройствами, и проблемно-ориентированная часть.

Большую роль в понимании принципов организации систем проектирования, места компьютерной графики в САПР, обсуждения структур данных и международных стандартов на эти структуры сыграл ежегодный Общесоюзный семинар по компьютерной графике, научным руководителем которого был Е. И. Артамонов.

К 1981 г. была разработана идеология построения и создан интерактивный интегрированный программный комплекс «ГРАФИКА-81», включающий подсистемы выпуска конструкторско-технологической документации, моделирования пространственных конструкций, автоматического размещения элементов и трассировки соединений на принципиальных схемах и печатных платах, подготовки управляющей информации для станков с ЧПУ.

С 1975 по 1985 гг. лаборатория принимала участие в организации работ по САПР сначала в Министерстве приборостроения, затем среди 12 министерств гражданских отраслей машиностроения. С 1985 по 1990 гг. Е. И. Артамонов назначается Главным конструктором по САПР в Комплексной программе научно-технического прогресса стран-членов СЭВ (КПНТП СЭВ).

К концу 90-х годов Е. И. Артамоновым была сформулирована общая теория формального синтеза структур интерактивных систем, реализованных в виде технических и программных средств. В 1999 г. Е. И. Артамонов защитил докторскую диссертацию по техническим наукам на тему «Модели и методы проектирования интерактивных систем». В 2000 г. ему присвоено звание профессора.

Комплекс «ГРАФИКА-81» использовался для разработки объёмных геометрических моделей всех модулей орбитальной станции «МИР», кинематических моделей «Фермы-3» станции «МИР», а также компьютерных фильмов, созданных на основе этих моделей. Эти модели и компьютерные фильмы применялись при обучении космонавтов вне корабельной деятельности. 

В дальнейшем велась проработка методов объёмного геометрического моделирования, структур и программного обеспечения интерактивных систем на основе средств виртуальной реальности. В частности, в 1998 г. был создан тренажёр по аварийному покиданию российских модулей Международной космической станции, с 1999 по 2004 гг. — тренажёр для обучения космонавтов процессу развёртывания ретранслятора на орбитальной станции «МИР». На основе средств виртуальной реальности созданы объёмная геометрическая модель Большого Космического Рефлектора (БКР) по заказу ФГУП «Энергия» в рамках программы Еврокосмического агентства, система эргономического анализа пультов безопасности АЭС и система моделирования рельефов местности.

С 2000 г. Е. И. Артамонов возглавляет кафедру «Инженерная и компьютерная графика» Московского технического университета связи и информатики (МТУСИ).

Евгений Иванович — член учёных советов ИПУ и МТУСИ, член трёх диссертационных советов, 7 его учеников стали кандидатами наук. Им опубликовано более 100 статей, одна книга, три брошюры и 5 методических пособий.

Начиная с 2001 г., Е. И. Артамонов является научным руководителем ежегодной Международной конференции и выставки «Системы проектирования, технологической подготовки производства и управления этапами жизненного цикла промышленного продукта (CAD/CAM/PDM)».


В начале 70-х годов Е. И. Артамоновым была разработана общая теория синтеза структур ИС, реализованных в виде технических средств. Основная идея синтеза структур заключалась в создании сетевой модели ИС на основе алгоритма функционирования и возможных взаимосвязей форматов данных с различными реализациями отдельных блоков ИС, а также последующего формального выбора лучшей реализации в виде определения кратчайшего пути на сетевой модели.

На основании теоретических исследований были отобраны перспективные структуры, построены и введены в эксплуатацию несколько типов цифровых регуляторов и создан ряд систем: управления процессом высокоточного смешения бензинов, вычисления параметров подвижных объектов, диспетчерского контроля для испытания сельскохозяйственной техники и др. На структуры таких систем получено больше десятка авторских свидетельств.

Система управления процессом смешения бензинов была внедрена в начале 70-х годов в г. Грозном: она была первой в СССР цифровой интерактивной системой смешения нефтепродуктов, обеспечивающей смешение на потоке в трубопроводе. Впервые в СССР была изменена технологическая схема процесса смешения бензинов, произошёл переход от последовательного смешения компонентов смеси в ёмкостях к параллельному смешению на потоке в трубопроводе.

С середины 70-х годов начаты работы по исследованию принципов построения и созданию программно реализованных интерактивных систем, в частности, систем автоматизированного проектирования (САПР). В этот момент во всём мире при решении задач автоматизированного проектирования структуры систем представляли собой центральную часть в виде прикладной программы, связанной с подпрограммами графических пакетов, таких как PLOT-10, «Графор», «ФАП-КФ» и др. При такой структуре для решения новой задачи приходилось систему заново перекомпилировать. В лаборатории был предложен новый подход по структурной организации систем проектирования, похожий на аппаратную реализацию спецпроцессоров, в котором выделялась инвариантная по отношению к решаемым задачам часть систем, включающая в свой состав средства взаимодействия пользователя с системой и внешними устройствами, и проблемно-ориентированная часть.

Большую роль в осмыслении принципов организации систем проектирования, места компьютерной графики в САПР и в обсуждении структур данных и международных стандартов на эти структуры сыграл ежегодный Общесоюзный семинар по компьютерной графике (научный руководитель — Е. И. Артамонов). Два семинара были проведены в г. Ижевске (1979, 1982 гг.).

К 1981 г. была разработана идеология построения и создан интерактивный интегрированный программный комплекс «ГРАФИКА-81», включающий подсистемы выпуска конструкторско-технологической документации, моделирования пространственных конструкций, автоматического размещения элементов и трассировки соединений на принципиальных схемах и печатных платах, подготовки управляющей информации для станков с ЧПУ. Комплекс централизованно распространялся через «Центрпрограммсистем», г. Калинин (ныне — Тверь), и внедрён на ряде машиностроительных предприятий.

Следует отметить, что разработка систем автоматизированного проектирования является достаточно сложной задачей, отнимает массу времени и требует участия большого количества высококвалифицированных разработчиков. Стоимость программной реализации для некоторых САПР составляет 20–50 тыс. долларов США за одно рабочее место, а затраты только на их продвижение на рынке измеряются миллионами долларов в квартал.

Сложность разработки таких систем в лаб. № 18 усугублялась обилием разных технических средств и операционных систем, на которых последовательно создавался комплекс «ГРАФИКА-81» — от ICL-4-70, ЕС-ЭВМ, М-6000, СМ-1420 до персональных компьютеров.

С 1975 по 1985 гг. лаборатория принимала участие в организации работ по САПР сначала в Министерстве приборостроения, затем среди 12 министерств гражданских отраслей машиностроения. С 1985 по 1990 гг. лаборатория возглавляла работы по САПР в Комплексной программе научно-технического прогресса стран-членов СЭВ (КПНТП СЭВ). В программе от СССР участвовали 300 организаций и столько же — со стороны стран-членов СЭВ и СФРЮ.

К концу 90-х годов была сформулирована общая теория формального синтеза структур интерактивных систем, реализованных в виде технических и программных средств. Реализация сетевой модели для синтеза программных ИС потребовала написания программ преобразования и визуализации как широко используемых, так и стандартных форматов данных: DXF, WMF, Gerber, HPGL, PLT, PCB, STEP, VRML и т. п.

Комплекс «ГРАФИКА-81» использовался для разработки объёмных геометрических моделей всех модулей орбитальной станции «МИР», кинематических моделей «Фермы-3» станции «МИР», а также компьютерных фильмов, созданных на основе этих моделей. Все разработки применялись при предполётном обучении космонавтов.

 

3-D модель станции “МИР” 

3-D модель станции “МИР”

 

В дальнейшем прорабатывались методы объёмного геометрического моделирования, структур и программного обеспечения интерактивных систем на основе средств виртуальной реальности. Так, в 1998 г. был создан тренажёр по аварийному покиданию российских модулей Международной космической станции, с 1999 по 2004 гг. — тренажёр для обучения космонавтов развёртыванию ретранслятора на орбитальной станции «МИР» в российско-грузинском эксперименте, объёмная геометрическая модель двигателя «Протон» для моделирования результатов аварии двигателей, подсистема визуализации при испытаниях разгонных блоков и мониторинге окружающей среды в процессе уничтожения химического оружия.

Модель двигателя Proton GS

 

Модель двигателя Proton GS

 

В развитие принципов построения и создания интерактивных систем внесли вклад многие сотрудники лаб. № 18: к.ф-м.н. Д. С. Павловский, М. Ю. Щегольков (2-D система конструирования), к.т.н. А. А. Шурупов (3-D система), О. И. Соловьёв, В. Н. Паршуков, Л. Н. Сизова (система автоматической трассировки соединений между элементами на плоскости), к.т.н. В. Ю. Тремба (система технологической подготовки производства, подготовки управляющей информации для станков с ЧПУ), д.т.н. В. М. Хачумов (разработка методов синтеза и анализа специализированных устройств периодической обработки цифровой информации применительно к системам компьютерной графики), к.т.н. Д. В. Новиков (исследования по организации интерпретаторов входного языка систем автоматизированного проектирования, использованию ламбда-исчислений при моделировании и синтезе структур специализированных программных средств), к.т.н., с.н.с. А. И. Разумовский (разработка объёмных геометрических моделей и интерактивных систем на основе средств виртуальной реальности, STEP-вьюер, программы преобразования структур данных, подсистемы визуализации при испытаниях разгонных блоков и мониторинге окружающей среды при уничтожении химического оружия).

За последние несколько лет к.т.н., с.н.с. В. А. Ромакиным на основе средств виртуальной реальности созданы объёмная геометрическая модель большого космического рефлектора (БКР) по заказу ФГУП «Энергия» в рамках программы Еврокосмического агентства, система эргономического анализа пультов безопасности АЭС и система моделирования рельефов местности.

Моделирование процесса раскрытия БКР

Моделирование процесса раскрытия БКР

Д.т.н., проф. А. В. Толоком разработана система РАНОК, позволяющая строить воксельные графические образы, формирующие объёмную геометрическую модель объекта, описываемого аналитическим способом. Такая модель обеспечивает возможность её визуализации, анализа дифференциальных характеристик и решения оптимизационных задач, основанных на градиентных методах. Система РАНОК применяется при проектировании объектов со сложными поверхностями, например, турбинных лопаток.

Сборка физической модели БКР

Сборка физической модели БКР

К.т.н., с.н.с. П. А. Правильщиков в 2004 г. доказал дискретный аналог известной «физической» теоремы Э. Нётер и вывел из неё законы сохранения перебора. В соответствии с этими законами величина перебора сохраняется при решении прямой и обратной задачи для логических, алгебраических и дифференциальных уравнений. Законы сохранения перебора послужили теоретическим обоснованием гипервычислений с использованием вычислительных устройств с механизмом гипермассового параллелизма. Позднее выяснилось, что механизм гипермассового параллелизма может быть использован и для решения NP-полных задач, таких как некоторые задачи оптимального управления, задач построения тестов, задач верификации БИС, задач поиска кратчайшего пути в процессах трассировки печатных плат. Используя полученные результаты, в 2008 г. лаб. № 18 выиграла конкурс РФФИ, получив грант на проект «Теоретическое обоснование и разработка макета процессора-ускорителя на основе механизма гипермассового параллелизма для решения NP-полных задач» (проект РФФИ 08-07-00067-а).

Сотрудниками лаборатории опубликовано более 150 научных статей и 5 монографий, проведены 9 ежегодных международных конференций «Системы проектирования, технологической подготовки производства и управления этапами жизненного цикла промышленного продукта (CAD/CAM/PDM — 2000–2008)». За последние 5 лет пять аспирантов защитили кандидатские диссертации.