Лаборатория № 18 «Компьютерной графики»

Основатель и первый зав. лаб. № 18 Евгений Иванович Артамонов

Лаборатория как самостоятельное подразделение была создана по инициативе директора Института академика В.А. Трапезникова 1 октября 1978 г. на основе группы сотрудников лаб. № 29, которой в то время заведовала д.т.н., проф. Елена Карловна Круг. Руководителем лаборатории до последнего дня своей жизни (11 ноября 2013 г.) был её основатель – доктор технических наук, профессор Евгений Иванович Артамонов.

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.

В начале 70-х гг. 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 реализа 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 более десятка авторских свидетельств.

Система управления процессом смешения бензинов была внедрена в начале 70-х гг. 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 гг. начаты работы по исследованию принципов построения и созданию программно реализованных интерактивных систем, в частности систем автоматизированного проектирования (САПР). В то время в мире при решении задач создания САПР структуры систем представляли собой центральную часть, реализуемую в форме прикладной программы, которая была связана с подпрограммами графических пакетов (PLOT-10, «Графор», «ФАП-КФ» и др.). При такой структуре для решения новой задачи приходилось систему заново компилировать. В лаборатории был предложен новый подход по структурной организации систем проектирования, похожий на аппаратную реализацию спецпроцессоров, в котором выделялись инвариантная по отношению к решаемым задачам часть систем, включающая средства взаимодействия пользователя с системой и внешними устройствами, и проблемно-ориентированная часть.

Большую роль в осмыслении принципов организации систем проектирования, понимании места компьютерной графики в САПР и 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).

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.

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.

3D-модель станции «МИР»

К концу 90-х гг. 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.

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 годы – 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 уничтожении химического оружия.

Модель двигателя Proton GS

В развитие принципов построения и создания интерактивных систем внесли вклад многие сотрудники лаб. № 18.

К.т.н., с.н.с. А.И. Разумовский занимается разработкой интерактивных систем на основе средств виртуальной реальности, программами преобразования структур данных. Им создана подсистема визуализации при испытаниях разгонных блоков и мониторинге окружающей среды при уничтожении химического оружия.

Л.Н. Сизовой разработан интерактивный программный комплекс, предназначенный для проектирования электронных устройств средств связи, создания схемной документации, разработки чертежей, нахождения и отображения кратчайшего пути между какими-либо объектами.

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.

Зав. лаб. № 18 Алексей Вячеславович Толок

Под руководством д.т.н., проф. А.В. Толока, который стал заведующим лаб. № 18 в 2013 г., развивается направление воксельного графического моделирования, представлены работы в области построения воксельных геометрических моделей, описанных с применением аппарата R-функций. На основе проводимых исследований в этом направлении разработана система РАНОК, позволяющая строить воксельные графические образы, формирующие объёмную (многомерную) геометрическую модель объекта. Такая модель обеспечивает возможность её качественной визуализации, анализа дифференциальных характеристик и применима для решения оптимизационных задач, связанных с R-функциональным моделированием поверхности с критическими точками решения. В системе РАНОК реализован градиентный метод на основе графических данных воксельной геометрической модели, который применяется при решении широкого класса оптимизационных задач математического моделирования: математическое программирование, определение объёмов и площадей для тел со сложной аналитически заданной поверхностью, решение систем уравнений и многих других задач, основанных на оптимизационных постановках. Одним из перспективных исследований лаборатории в направлении воксельного моделирования является класс инженерных задач твёрдотельного проектирования. Перспективным представляется переход от сложных расчётов физического состояния тел методом МКЭ к более точным и наглядным решениям на основе воксельных графических отображений.

Моделирование процесса раскрытия БКР

Сотрудниками лаборатории разработано программное обеспечение графического редактора для лазерного послойного синтеза изделий из металлических порошков. Синтезированы структуры и разработаны программные средства тренажёра по сборке космических аппаратов в космосе, тренажёра для освоения интервенционных операций диагностики и лечения заболеваний сосудов сердца.

Разработана программная система автоматизированного проектирования средств автоматики на элементах высокотемпературной струйной техники. Созданы система автоматической сборки машиностроительных конструкций и программно-технический комплекс для автоматического изготовления физических моделей этих конструкций из жидких полимеров. Разработаны базы данных 3D-моделей космических конструкций, элементов струйной техники (совместно с лаб. № 2), сосудов сердца с оптимизацией структур данных этих моделей по сложности программной реализации.

В рамках проекта РФФИ «Разработка теории магнитной локации и управления движением магнитной капсулы эндоскопа и создание макета измерительно-управляющего комплекса с капсулой» совместно с лаб. № 14 (ныне вошла в состав лаб. № 2) разработаны алгоритмы, математическое и программное обеспечение обработки данных, поступающих в компьютер с АЦП, и визуализации расчётных данных, включая пространственное положение капсулы в исследуемом объекте; проведён сравнительный анализ теоретической векторной 3D-модели траектории движения капсулы эндоскопа с расчётной траекторией, построенной по показаниям датчиков.

В рамках проекта РФФИ также совместно с лаб. № 14 разработаны алгоритмы, математическое и программное обеспечение для управления продвижением АМР головки-градиометра в плоттере и обработки сигналов АМР датчиков магнитного поля (устранение наводок от токовых импульсов и шумов, возникающих вследствие малой величины сигнала, и выполнение расчёта сигнала), вычисления характеристик и построения графиков этих сигналов.

В 2016 г. А.В. Толоком издаётся авторская монография под редакцией академика РАН С.Н. Васильева с описанием метода функционально-воксельного моделирования (ФВМ). На основе метода ФВМ создаётся новое направление современной компьютерной геометрии – локальная компьютерная геометрия. Такой предмет является новым курсом для магистратуры, который читается студентам МГТУ «СТАНКИН», а также ННГАСУ (г. Нижний Новгород) по профилю «Инженерная и компьютерная графика».

В том же году состоялась защита кандидатской диссертации сотрудника лаборатории Михаила Александровича Локтева на тему «Функционально-воксельное моделирование в задачах поиска пути с препятствиями». Разработаны и исследованы расчётные средства с применением аппарата R-функций к методу ФВМ для автоматизации задач прокладки пути с препятствиями на основе известных аналитических подходов. Проведённые исследования показали эффективность применения функционально-воксельных моделей в компьютерном моделировании геометрических объектов для решения оптимизационных задач. Рассмотрены задачи построения пути на основе диаграммы Вороного, моделирования движения беспилотного объекта по градиентному спуску, а также предложен принципиально новый подход рельефной трассировки, базирующийся на выявлении и применении характерных форм рельефа поверхности, которая организована на принципах повышения простраства плоских контуров, описывающих габариты препятствия. Характерно, что предложенный подход и алгоритмы легко переносимы на задачи в многомерном пространстве.

С 2017 года коллектив сотрудников лаборатории (с.н.с., к.т.н. А.И. Разумовский, с.н.с., к.т.н. В.А. Ромакин, с.н.с., к.т.н. М.А. Локтев, ст. инженер, аспирант А.М. Плаксин, вед. инженер-программист Л.Н. Сизова, вед. инженер-программист К.А. Савельев, инженер-программист Ю.В. Горская) ведёт проектно-исследовательскую работу над Государственным заказом по созданию и развитию системы адаптации пакета графических данных (САГП) для ПАО РКК «Энергия» для организации мультисистемных средств обработки электронной проектной документации космического аппарата с последующей адаптацией к прикладным задачам автоматизации процесса подготовки полётов и космонавтов.

Интерфейс системы САПР

Сотрудниками лаборатории опубликовано более 450 научных статей, издано 5 монографий и зарегистрировано 7 патентов и свидетельств на изобретение и программную реализацию.

Одним из новых направлений исследований в лаб. № 18 являются квантовые технологии. Ведущим научным сотрудником к.т.н. П.А. Правильщиковым разрабатывается механизм квантового параллелелизма для будущих квантовых компьютеров. Старший научный сотрудник, к.т.н. С.В. Смирнов стал организатором ежегодных международных конференций «Системы проектирования, технологической подготовки производства и управления этапами жизненного цикла промышленного продукта (CAD/CAM/PDM — 2000–2018)».

В лаборатории действует МНШ (молодёжная научная школа) под руководством проф. А.В. Толока.