авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Проектирования нестандартных компьютерных манекенов

На правах рукописи

БАЛЖИРСУРЭН ГАНЦЭЦЭГ

АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ НЕСТАНДАРТНЫХ

КОМПЬЮТЕРНЫХ МАНЕКЕНОВ

Специальность 05.13.12 – Системы автоматизации проектирования

(промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Омск - 2009

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Новосибирский государственный технический университет»

Научный доктор технических наук, профессор руководитель: Фроловский Владимир Дмитриевич Официальные доктор технических наук, профессор оппоненты: Файзуллин Рашит Тагирович кандидат технических наук, доцент Чижик Маргарита Анатольевна Ведущая Государственное образовательное учреждение организация: высшего профессионального образования «Сибирский государственный университет телекоммуникации и информатики»

Защита диссертации состоится «23»октября 2009 г. в 1400 ч. на заседании объединенного диссертационного совета ДМ 212.250.03 при Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия»

(СибАДИ) по адресу: 644080, г. Омск, пр. Мира, 5, зал заседаний.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия» (СибАДИ) по адресу: 644080, г. Омск, пр. Мира, 5.

Отзывы на автореферат направлять по адресу: 644080, г. Омск, пр. Мира, 5., тел, факс: (3812)65-03-23, e-mail:Arkhipenko_m@sibadi.org

Автореферат разослан 23 сентября 2009 г.

Ученый секретарь объединенного диссертационного совета ДМ 212. 250. 03 М. Ю. Архипенко кандидат технических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы Существует проблема построения параметрических моделей сложных геометрических объектов. При этом преследуются две цели:

1) сжатие большого объема геометрической информации;

2) возможность быстрой автоматической генерации моделей с заданными индивидуальными параметрами минуя сложный и трудоемкий процесс поэтапного моделирования стандартными интерактивными средствами универсальных графических систем.

В работе рассматривается задача параметрического моделирования компьютерных нестандартных манекенов людей. Решение данной задачи является на сегодняшний день актуальным, так как все большее количество областей заинтересовано в использовании подобных манекенов. Каждая область предъявляет свои требования к создаваемой модели. Данная работа направлена на создание компьютерных нестандартных манекенов для использования в швейной промышленности. Поэтому основным требованием к модели является создание антропометрических верных манекенов.

В настоящее время во многих странах мира ведутся активные исследования в области параметрического моделирования человеческого тела. Швейная промышленность - одна из наиболее заинтересованных в создании виртуальных манекенов областей. Для данной отрасли необходимы манекены, наиболее точно учитывающие индивидуальные особенности внешней формы тела человека. В массовом производстве одежды основная роль отводится типовым фигурам, создание которых можно вести на основе существующих государственных стандартов. Но типовые фигуры позволяют охватить не более 4% населения Россия, 5% населения нашей страны (Монголия). Тем не менее, основным преимуществом такого подхода является создание размерной типологии с помощью 3 - 4 параметров.

Компьютерные нестандартные манекены могут входить в состав систем автоматизированного проектирования для швейной промышленности.

Использование стандартных манекенов (типовых фигур) позволит сократить время на проектирование новых моделей одежды, а также оценить посадку изделия на модели и при необходимости произвести корректировку возникших дефектов.

Создание одежды для нетиповых фигур происходит в области индивидуального пошива. При этом разработчикам приходится производить достаточно сильные изменения в базовых выкройках, что требует значительных затрат времени. Разработка компьютерных нестандартных манекенов (нетиповых фигур) позволит упростить процесс создания лекал.

Другой областью применения являются системы виртуальной примерки, используемые в Интернет - магазине. Такие системы предоставляют услуги виртуальной примерки одежды с учётом индивидуальных размеров покупателя. Работа виртуальных примерочных через Интернет делает одним из наиболее важных требований к разрабатываемым системам малый размер передаваемых пользователю данных, а также высокую скорость генерации модели.

Использование параметрического представления сложных геометрических объектов позволяет сократить большой объем геометрической информации, и существенно уменьшить время на создание модели с заданными индивидуальными параметрами. Последнее достигается за счет замены сложного и трудоемкого процесса поэтапного моделирования стандартными средствами графических систем автоматической генерацией новой модели.

Одной из составных частей систем виртуальных примерочных может быть создание списка рекомендаций по выбору одежды. Использование нестандартных манекенов позволит наглядно продемонстрировать способы сокрытия возможных дефектов строения тела.



Компьютерные нестандартные манекены, отражающие индивидуальные особенности формы тела человека, могут быть использованы в медицине.

Манекены с различным состоянием осанки могут служить пособиями для обучения студентов медицинских вузов диагностике нарушений осанки при внешнем осмотре пациента.

Цель работы Данная работа посвящена проблеме моделирования сложных геометрических трехмерных (3D) объектов с привлечением методов представления знаний, параметрического представления сложных поверхностей. Ставиться цель разработать гибридную модель, учитывающую поверхностные и глубинные знания сложного 3D объекта, разработать методы генерации моделей заданного параметра с индивидуальными параметрами, а также поддерживающие эти методы программные средства в виде специализированных расширений для открытых графических сред типа AutoCAD, Maya и др. В качестве объектов исследования рассматриваются модели компьютерных нестандартных манекенов.

Основные задачи

исследования В связи с поставленными целями в работе решаются следующие задачи:

1. Построение модели 3D объекта сложной структурой.

2. Разработка методов моделирования сложных параметрических геометрических объектов.

3. Разработка методов генераций моделей с заданными параметрами.

4. Разработка программного обеспечения для задачи моделирования и его интеграция в современные графические системы.

Объект и предмет исследования Объектом исследования данной работы являются сложные геометрические объекты – виртуальные нестандартные манекены человеческого тела.

Предметом исследования являются методы сжатия геометрической информации сложных объектов, методы параметрического представления и моделирования сложных объектов.

Методы исследования В работе используются математические методы аппроксимации и интерполяции, методы линейной алгебры, методы оптимизации, методы вычислительной геометрии и компьютерной графики, методы прикладной логики. Основные положения диссертационной работы, эффективность разработанных методов и алгоритмов подтверждены конструктивными программными реализациями, представленными в виде комплекса программ.

Научная новизна Основные научные результаты, полученные в данной диссертационной работе, заключается в следующем:

1. Предложена параметризованная модель ЗD - объекта со сложной структурой на основе технологии деформаций.

2. На примере модели тела человека продемонстрирован метод извлечения и представления знаний о сложном геометрическом объекте.

3. На основе антропологической информаций построен ЗD - объекта на примере модели нестандартного манекена.

4. Предложен метод визуализации ЗD - объекта как процесс «обтягивания» гладкой параметрической поверхностью, представленной системой многомерных сетей.

5. Исследован характер поведения модели ЗD - объекта с зависимости от количество используемых параметров. На примере модели нестандартного компьютерного манекена продемонстрировано реалистичное представление объекта.

Авторским вкладом в настоящей работе является параметрическое моделирование нестандартных компьютерных манекенов, которое основано на знании антропометрических особенностей тела человека с нетиповой фигурой. Переход фигуры в класс нетиповых происходит за счет учета возможных нарушений осанки. При этом учет нарушений происходит не только в сагиттальной, но и во фронтальной плоскости.

Практическая ценность и реализация результатов работы На основе проведенных исследований, разработанных моделей и алгоритмов, создан комплекс программ для параметрического моделирования, идентификации и генерации трехмерных компьютерных нестандартных манекенов. В данном комплексе реализованы следующие программные модули:





1. Параметрического моделирования поверхностей на основе деформации;

2. Построение базовой трехмерной сеточной модели;

3. Автоматизированная генерация индивидуальных моделей;

4. Оптимизация трехмерной модели.

Некоторые области применения результатов проведенных исследований были показаны при доказательстве актуальности темы данной диссертации.

К сожалению, на сегодняшний день исследования в данном направлении носят несистематизированный характер.

В настоящее время с помощью разработанного программного продукта построены модели манекена по реальным индивидуальным данным людей, которые использовались в учебном процессе при подготовке специалистов Новосибирском Технологическом Институте (НТИ МГУДТ) и на кафедры Исследования и дизайна одежды Монгольского государственного научно технологического университета.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Модели ЗD - объекта со сложной структурой.

2. Метод извлечения и представления знаний о сложном геометрическом объекте.

3. Метод генерации индивидуальных моделей на основе базовой модели.

4. Метод визуализации ЗD - объекта как процесс «обтягивания»

гладкой параметрической поверхностью, представленной многомерными сетками.

5. Оптимизационный подход для сжатия трехмерной модели путем выделения наиболее значимых характеристических точек и параметрическом представлении.

6. Алгоритмическое и программное обеспечение задач указанного класса и его интеграция в современные графические системы.

Апробации работы Исследования, проводимые в рамках работы над настоящей диссертацией и полученные результаты, нашли отражение в публикации материалов докладов на межвузовских и международных научных конференциях.

Основные положения диссертационной работы, разработанные модели, методы, алгоритмы и программы были представлены и обсуждались на следующих конференциях:

Конференция «Технологии Microsoft в теории и практике программирования» (НГУ, Академгородок, Новосибирск, Россия, 24- февраля, 2007);

Вторая международная конференция-форум по стратегическим технологиям «International Forum on Strategic Technologies IFOST – 2007»

(Улан-Батор, Монголия, 3-5 октября, 2007);

Всероссийская научная конференции молодых ученых «Наука.

Технологии. Инновации». (НГТУ, Новосибирск, Россия, 6-9 декабря, 2007);

Конференция «Технологии Microsoft в теории и практике программирования» (Новосибирск, Академгородок, НГУ, Россия, 1-2 марта, 2008);

Международная конференция «Computational Technologies in Electrical and Electronics Engineering». THE IEEE REGION 8 SIBIRCON 2008. (Novosibirsk Scientific Centre, Novosibirsk, Russia, July 21–25, 2008);

Научно-практическая конференция «Научная инициатива иностранных студентов и аспирантов российских вузов» (ТПУ, Томск, Россия, 22- апреля, 2008);

Международная конференция-форум по стратегическим технологиям «ICICT – 2009» (Улан-Батор, Монголия, 12-14 август, 2009).

В 2008 г на конференции «Научно-практическая конференция «Научная инициатива иностранных студентов и аспирантов российских вузов», автор получил диплом второй степени.

Основные положения, выводы и результаты диссертаций опубликованы в 12 работах, представленных в автореферате диссертации.

Объем и структура диссертации Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, список используемых источников из 108 наименований и предложений. Основной текст диссертации составляет 152 страниц и включает в себя 20 таблиц, рисунок и 3 приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цели и задачи исследований, отмечена научная новизна и практическая значимость результатов работы, кратко излагается структура диссертации.

В первой главе проводится анализ современных методов трехмерного моделирования. Рассматриваются наиболее распространенные в современных графических системах типы создания поверхностей, к ним относятся каркасные поверхности, поверхности, основанные на движении, поверхности натяжения, трехмерные сети и др.

Поверхности, описываемые аналитически, обладают двумя важными свойствами: 1) дают аппарат, необходимый для исследования локальных свойств поверхностей;

2) позволяют с необходимой точностью легко выполнять аппроксимацию поверхностей с достаточно сложным рельефом.

Построение моделей объектов со сложной структурой, представляет собой сложный процесс, требующий как универсальных, так и специализированных технологий для конкретных предметных областей. Если рассматривать задачу моделирования с точки зрения когнитивной геометрии, то можно выделить три основных подхода, отличающиеся по степени участия человека в процессе моделирования: построение новых геометрических форм путем измерения существующего объекта, ручная детализация новой геометрии пользователем, автоматическая генерация геометрических форм путем деформации.

Результатом аналитического обзора является вывод о необходимости использования методов, которые позволяют строить модели объектов со сложной структурой.

В данной главе введены обзор существующих систем моделирования человека и в конце главы формулируются проблемы и перспективы развития систем моделирования человека.

Во второй главе диссертации показывается обоснованность выбора осанки в качестве основного признака моделирования нестандартного манекена, рассматривается строение позвоночного столба, классифицируются искривления позвоночника и методы диагностики данных нарушений. Данной главы формулируется постановка задачи параметрического моделирования человека.

Во второй главе описано экспериментальное исследование процедуры выбора оптимальных параметров, используемых для построения поверхности объекта.

Поверхность тела человека представляет собой сложную незакономерную поверхность, которая нестабильна и зависит от многих изменчивых факторов. Геометрическая модель объекта должна быть его аналогом и повторять те его свойства и их взаимодействия, которые необходимы для изучения объекта, а именно для получения размерных характеристик тела человека и построения поверхности, которая станет базовой модели.

Прежде чем рассматривать проблему построения поверхности манекена, выделим основные оси и плоскости тела человека, которые будут использоваться в дальнейшем при построении сечений рассматриваемых моделей. Основные плоскости тела ориентируются в системе трёх взаимно перпендикулярных осей: вертикальной и двух горизонтальных - поперечной и глубинной.

В межгосударственном стандарте указаны основные антропометрические точки женской фигуры, используемые для моделирования одежды, а также приведены размерные признаки женских типовых фигур. Использование одних антропометрических точек в работе недостаточно, поэтому необходимо ввести понятие размерного признака, которое является базовым понятием при моделировании любой сложной параметрической поверхности, в том число и человеческого тела. Под размерным признаком понимают высоты антропометрических точек, обхваты тела на различных уровнях (сечениях), диаметры сечений, длины различных сегментов человеческого тела.

Помимо основных параметров выделена группа линейных и объемных параметров. К линейным и объёмным параметрам относятся те размерные признаки, которые необходимо учитывать при построении человеческой фигуры. Линейные параметры - параметры, которые определяют высоты различных антропометрических точек. Объёмные параметры - параметры, определяющие обхваты частей тела, а также - расстояния и длины между различными антропометрическими точками. Все рассматриваемые в стандарте размерные признаки определяются из табличных данных по трем основным размерным признакам. Из 63-х перечисленных в стандарте размерных признаков были использованы только те, которые были необходимы для построения туловища манекена женской фигуры.

В результате сравнения установлено, что основные антропометрических данных взрослого населения Монголии сравнительно всем признаком, чем русского населении. Это связано с этническими и жизненными особенностями населения страны.

Таблица Сравнительные данные размерных признаков Размерных Монголия Россия признаков М±S М±S Рост 154.614±5.39 156.42±5. Обхват груди III 88.459±8.014 97.35±9. Обхват груди II 75.5±9.76 81.27±11. Обхват бедер 97.27±7.806 102.64±9. В третьей главе рассмотрены решения вопросов выбора и реализации методов моделирования нестандартных компьютерных манекенов, рассмотрены представления базовой модели, а также способы ее параметризации.

Рассматривается графический уровень гибридной модели. Этот уровень содержит математический аппарат для визуализации внешней формы посредством параметрического представления поверхности. В качестве наиболее эффективного метода представления геометрических объектов рассматривается метод деформации.

Таким образом, дальнейшая работа будет проводиться с использованием полученной базовой модели туловища, состоящей из 25 слоёв по 100 точек на каждом.

Цель любой параметризации - поиск минимального количества описывающих объект параметров, с помощью которых можно описать как можно большее количество объектов класса. Параметризация тела человека это очень сложная задача, особенно когда требуется описать её разумным числом параметров, которые должны быть достаточно легко измеряемыми.

Для выбора параметров моделирования нестандартного компьютерного манекена необходимо определиться с методом диагностики данных нарушений, характеристика которых приведена во второй главе диссертации.

Описательный метод позволяет определить только наличие нарушения, но не дает никаких количественных оценок. Бесконтактные методы требуют наличия сложной технической аппаратуры для получения контуров тела.

Таким образом, наиболее целесообразно выбрать контактный метод исследования осанки.

Моделирование нестандартного компьютерного манекена в сагиттальной плоскости будем вести на основании следующих параметров:

глубина шеи (РП№ 74) глубина талии I (РП №78) глубина талии II (РП №79) А во фронтальной плоскости будем вести на основании следующих параметров:

код тип сколиоза (1 - шейно-грудной, 2 - грудной, 3 грудопоясничный, 4 - поясничный, 5 - комбинированный);

направленность дуги (левосторонний, правосторонний);

величина смещения вершины дуги.

а) б) Рис.1. а). Измерение размерных признаков: глубина шеи (РП№74), глубина талии I (РП№78), глубина талии II (РП№79) б). Измерение величины смещения вершины дуги Пусть P * p *, j - множество точек параметрического представления i манекена, где i - номер горизонтального уровня сечения манекена, а j - номер точки в сечении.

P p i, j - множество точек модели, удовлетворяющей ограничениям и по лученной из базовой модели применением серии деформационных преобра зований. Любое аффинное преобразование в трехмерном пространстве может быть представлено в виде суперпозиции операторов вращения, растяжения (сжатия), отражения и переноса.

К исходному множеству точек Р* базовой модели применим серию матричных деформационных преобразований с учетом ограничений:

Pij M ij 4 ) M ij 3 ) M ij1,2 ) Pij*, ( ( ( (3) где M i(,4 ) - оператор переноса j-ой точки i-ого слоя по оси абсцисс;

M ij j координаты j-ой точки i-ого слоя переноса по оси ординат;

M ij1,2 ) - переноса j ( ой точки i-ого слоя по оси аппликат и оператор масштабирования j-ой точки i-ого слоя по осям абсцисс и ординат;

Pi*, j - множество точек базовой модели манекена.

Мы можем найти новые высоты слоев на основании роста и соответствующих зависимых размерных признаков.

В соотношениях 1 через zi для i (0, 1, 2, 5, 10, 20, 23) обозначена высота слоя с номером i для новой модели. Назовем данные слои базовыми. Высоты оставшихся слоев находим с помощью линейной интерполяции соответствующих базовых слоев:

zi ( 1 t ) ziв t ziн.

В данной формуле ziв, ziн - высоты верхнего и нижнего базовых слоев для i z* в z * - высота i-ого слоя базовой модели, а z*в, z* н z* i i ого слоя;

, где t i i i z * в z* н i i высоты верхнего и нижнего базовых слоев для i-ого слоя базовой модели.

В нашем случае, в сагиттальной плоскости был выбран метод свободной формы. На каждый слой было наложено преобразование - перенос вдоль оси ординат для моделирования нарушений осанки в сагиттальной плоскости.

Здесь M ij 4 ) 0. Координат точек i-ого слоя новой модели в сагиттальной ( плоскости найти с помощью соотношения:

Pij( Саг ) M ij3 ) M ij1,2 ) Pij ( ( * Тогда результирующая матрица преобразований будет иметь вид:

i 0 0 0 0 0 ( i 1 ) cyi i i, M i( 1,2,3 ) 0 i 0 0 0 0 1 где i, i - коэффициенты масштабирования i-ого управляемого слоя по оси абсцисс и оси ординат соответственно;

cyi - координата центра деформации i ого слоя по оси ординат (координата по оси абсцисс равна нулю);

i значение переноса по оси ординат для i-ого неосновного (управляемого) слоя.

Значения переноса для промежуточных (неосновных) слоев будем находить интерполяцией кубическими сплайнами по известным значениям основных слоев:

i ak bk ( zi ziн ) ck ( zi ziн )2 d k ( zi ziн )3, где zi, ziн - высоты i-ого слоя и нижнего основного (управляющего) слоя для i ого;

a k ( i ), b k ( i ), c k ( i ), d k ( i ) - параметры кубического сплайна на k- ой интервале высот, которому принадлежит i- ого слоя;

k 1, N 1, где N количество основных (управляющих) слоев;

В данной формуле значения коэффициентов a k k 1 ;

c1 0, cN1 0, коэффициенты ck при решении системы линейных уравнений:

k 1 k 1 k hk 1 ck 1 2( hk 1 hk )ck hk ck 1 3 k, k [ 2, N ], hk hk 1 где k, k 1, k 2 - значение переноса по оси ординат для k-ого, (k-1)-ого и (k-2)-ого основных (управляющих) слоев.

N N 1 2hN c N cN bN,k N ;

d N 3 h, k N hN N b k k 1 hk ( ck 1 2ck ),k [ 1, N 1 ];

c k 1 ck d,k [ 1, N 1 ] k k hk 3 3hk Во фронтальной плоскости был использован метод деформации шнура. В нашем случае исходная кривая R повторяет форму спины базовой модели.

Она задается набором точек в трехмерном пространстве piR ( xiR, yiR, ziR ). Точка i исходной кривой R сопоставляется с i-ым слоем базовой модели, поэтому координаты xiR, yiR совпадают с координатами точки середины спины i-ого слоя новой модели - xiR x*,50 i, yiR ( y*,50 cyi ) i i (данная точка имеет 50-й i i порядковый номер в каждом слое), а координата ziR z* i соответствует i *, y* высоте i-ого слоя. В данных формулах xi, j i, j - координаты j-ой точки в i-ом слое базовой модели, i,i - коэффициенты масштабирования i-ого слоя по осям абсцисс и ординат, i - значение переноса i-ого слоя по оси ординат, z*i - высота i-ого слоя базовой модели, i - значение смещения i-ого слоя по оси аппликат. Координаты точек i-ого слоя новой модели во фронтальной плоскости найти с помощью соотношения:

Pij Фр ) M ij4 )M ij3 )M ij1,2 )Pij ( ( ( ( * Тогда результирующая матрица преобразований будет иметь вид:

i 0 0 i, j 0 0 ( 1 ) cy M i(,1j,2,3,4 ) i i i i, 0 0 1 i 0 0 0 1 где i, i - коэффициенты масштабирования i-ого управляемого слоя по оси абсцисс и оси ординат соответственно;

cyi - координата центра деформации i ого слоя по оси ординат (координата по оси абсцисс равна нулю);

i,j – значение переноса j-ой точки i-ого слоя по оси абсцисс. Оно находится с помощью значения переноса i-ой точки шнура (i), используя следующее соотношение:

i, j ( i xiR ) F ( Pi(, 3 ), piR ).

j Точка функция плотности F, используемая в данной работе, имеет вид:

F ( xi, j, xiR ) ( 2 g 3 3 g 2 1 ), где xi, j Pi(, j3 ), а значит xi, j x*, j i ;

i ( x*, j i xiR )2 (( y*, j cyi ) i i yiR ) i i.

g r Для нахождения значения переноса i-ой точки шнура (i) использовалась интерполяция с помощью кубического сплайна:

i ak bk ( zi ziн ) ck ( zi ziн )2 d k ( zi ziн )3,k [ 1, N 1 ], где i - значение переноса по оси абсцисс i-ой управляемой точки;

zi, ziн высоты i-ой точки шнура и нижней управляющей точки для i ой;

a k ( i ), b k ( i ), c k ( i ), d k ( i ) - параметры кубического сплайна на k-ом интервале высот, которому принадлежит i- ой точка;

N - количество управляющих точек, соответствующее заданному типу сколиоза.

Построение нового манекена проводится модификацией точек базовой модели, чтобы после проведённых деформаций новый построенный манекен удовлетворял ограничением, которые обеспечивают соответствие манекена заданным параметрам. Кроме того, нам необходимо, чтобы перемещение точек сечений базового манекена было минимальным. Тогда целевая функция данной задачи Q(P), представляющая собой суммарную деформацию точек базовой модели, будет минимизироваться, т.е.

Q ( P ) min. К моделированию поверхности манекена, при использовании P точки растяжения ( 0, c i ) для i - ого слоя, значения коэффициентов масштабирования по осям абсцисс и ординат -,, переноса слоев вдоль оси абсцисс и ординат i, j, i, значение смещения i для i-ого слоя, целевая функция оптимизационной задачи будет иметь вид:

K Q( P(,,,, )) ( x*, j ( 1 i ) i, j )2 (( y*, j c )( 1 i ) i )2 i i i i L1 j K ( x*, j ( 1 (( 1 ti ) u( i ) ti d ( i ) ) ( 1 ti )u( i ) ti d ( i ) )) i i L2 j (( y*, j c )( 1 (( 1 t i ) u ( i ) t i d ( i ) )) ( 1 t i ) u ( i ) t i d ( i ) ) i k (( 1 t i ) u ( i ) t i d ( i ) ) ri H ( hi ( P(,,,, ))) min i Для поиска минимума реализован модифицированный метод сопряжённых градиентов Флетчера-Ривса, позволяющий получить хорошую сходимость. В результате минимизации получаем упрощенную модель, которая имеет значительно меньшее количество точек в параметризации поверхности.

После того, как в сложный объект построенной модели внесены характеристики конкретного индивидуума и натянутая на него поверхность имеет значительно упрощенную форму, становится возможным моделирование различных выражений туловища в реальном времени с помощью уже построенной деформационной схемы.

В четвертой главе излагается материал, связанный с разработкой открытого программного комплекса, предназначенного для практического решения поставленных задач.

В настоящее время разработано достаточно большое количество программных средств, предоставляющих возможность пользователям работать с трехмерными поверхностями. Кроме того, для обмена данными между этими графическими приложениями существуют определенные международные стандарты. Поэтому создание собственного приложения потребует решения вопросов совместимости с этими стандартами, а также реализации базовых операций машинной графики, что представляет собой отдельную проблему. Но из этой ситуации просматривается один очень привлекательный выход, а именно: создать приложение, которое будет являться частью признанного во всем мире мощного графического пакета.

На основе проведенных исследований, разработанных моделей и алгоритмов, создано программное обеспечение «МОНЕМА – моделирование нестандартных параметризованных компьютерных манекенов». Алгоритмы реализованы на языках Borland C++ Builder Enterprise 6.0 и оформлены в виде нескольких задач.

Окно программы с загруженной моделью представлено на рис.2.

Программное приложение, написанное для данной работы, состоит из двух компонентов:

1) для ввода значений измеренных параметров, в результате работы программы формируется текстовый файл, содержащий параметры;

2) для визуального отображения сформированных манекенов.

Рис.2. Главное окно для программ Для демонстрации результатов моделирования нестандартного компьютерного манекена использовалась классификация нарушений созданная польским исследователем Н. Волянски. Данная классификация является наиболее полной. При моделировании использовались следующие базовые параметры: рост (Р) – 158 см;

обхват груди (Ог) – 92 см;

обхват бедер (Об) – 96см.

Кифотический тип РП74: 7.2;

РП78: 4.3;

РП74: 7.2;

РП78: 2.5;

РП74: 5;

РП78: 2.5;

РП79: 4. РП79: 3. РП79: 3. Лордотический тип РП74: 5;

РП78: 7.2;

РП74: 2.5;

РП78: 4.3;

РП74: 2.5;

РП78: 7.2;

РП79: 7. РП79: 4.3 РП79: 7. Рис. 3. Результаты моделирования нестандартных компьютерных манекенов в сагиттальной плоскости Таблица Зависимость точности решения от количества итераций МШФ Итераций МШФ 2 4 20 40 Шаг роста штрафа 100 50 10 5 Значение ЦФ 0,1493 0,0655 0,0233 0,0422 0, Кифотический Время тип 1 14 20 39 выполнения, с Значение ЦФ 0,1354 0,0892 0,0196 0,0105 0, Равновесный Время тип 1 4 20 40 выполнения, с Значение ЦФ 0,1225 0,0969 0,0163 0,0110 0, Лордотически Время й тип 1 4 20 37 выполнения, с 0. 0. 0. Значение МШФ 0. 0. 0. 0. 0. 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 Итераций МШФ Кифотический тип Равновесный тип Лордотический тип Рис.4. Зависимость точности решения от количества итераций МШФ Как видно из данных табл.2 и из рис.4 в данных примерах нарушения носят компенсированный характер (кифотический, равновесный, лордотический). В методе штрафных функций (МШФ) выбранными параметрами являются начальное значение и шаг коэффициентов штрафа, а также количество итераций МШФ.

На рис. 4 приведены получаемых решений в зависимости от величин шага роста коэффициентов штрафа и числа итерации МШФ. Во всех случаях начальный коэффициент штрафа был равен 0,01.

На рисунке ясно показано, что всех графика пересекаются в точке (40, 0.03). Значение итерация МШФ равно 40, показывает, что стабилизировает значению целевую функцию. Как видим, решение задачи разными типами даёт один и тот же значение. Разными типами манекенами 0,01 это достаточно минимальное значение в оптимизационную задачу.

Тип: поясничный;

Направленность: правосторонняя;

СВД: Рис.5. Результаты моделирования поясничного сколиоза r =3*d1;

r =6*d1;

Рис.6. Модели с различным радиусом воздействия шнура Таким образом, в качестве оболочки для создания программы моделирования нестандартного компьютерного манекена, была выбрана информационно-графическая система OpenGl. На ее базе предложен метод построения трехмерной сеточной модели нестандартного компьютерного манекена. Комплекс программ написан с использованием библиотеки OpenGl на языке Borland С++ Builder. Реализованы такие возможности, как выделение наиболее информативных линий уровня, интерактивное моделирование новых конфигураций, деформационные преобразования базовой модели, построение поверхностей с заданными параметрами детализации и др.

Все основные входные и выходные данные могут сохраняться в таких популярных форматах, как mdl, bmd. Использование мощных средств системы AutoCAD значительно расширяет возможности программного комплекса, что позволяет сделать его конкурентоспособным и совместимым со многими графическими пакетами.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ Основные научные результаты, полученные в данной диссертационной работе, заключается в следующем:

1. Предложена параметризованная модель ЗD - объекта со сложной структурой, включающая в себя геометрическую информацию о моделируемом объекте.

2. Разработан метод деформации сложных геометрических объектов в классе параметрических функций с использованием идентифицирующих ограничений по представлению объекта.

3. Разработаны методы автоматически генерации моделей заданного класса с индивидуальными параметрами на основе базовой порождающей модели.

4. Разработаны алгоритмы и программное обеспечение, позволяющее строить базовую модель с заданным уровнем детализации, переходить от нее к индивидуальной модели, осуществлять параметрическое сжатие геометрической информации трехмерных моделей.

Программная реализация интегрирована с помощью системы разработки приложений OpenGl на базе языка программирования Borland С++ 6. Builder.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНО В РАБОТАХ -в изданиях рекомендованных экспертным советом ВАК России:

1. Балжирсурэн Г. Автоматизация проектирования нестандартных параметризованных 3D манекенов / Г. Балжирсурэн, В. Д. Фроловский // Научный вестник НГТУ. -Новосибирск. Изд-во НГТУ. 2009. -№ 1(34). - С.

117-128.

-в других изданиях:

2. Baljirsuren G. Parametrical Modeling of Objects with Complex Structure and Compression Data of the Basis of Generative Models /G. Baljirsuren., V.D.

Frolovsky / Г. Балжирсурэн., В. Д. Фроловский // Proceedings of the International Conference in Computational Technologies in Electrical and Electronics Engineering «IEEE Region 8 SIBIRCON 2008», 21 - 25 July 2008, Novosibirsk Scientific Center, – Novosibirsk. – 2008. pp. 227-231.

3. Балжирсурэн Г. Построение модели нестандартного женского манекена с помощью деформации шнура / Г. Балжирсурэн // Материалы конференции "Технологии Microsoft в теории и практике программирования" (1-2 марта 2008 г, г. Новосибирск, Академгородок), Новосибирск, НГУ. – 2008. – С. 184-186.

4. Балжирсурэн Г. Моделирования нестандартных параметризованных компьютерных манекенов "МОНЕМА". / Г. Балжирсурэн., В. Д.

Фроловский // Свидетельство об отраслевой регистрации разработки № 50200802193. – М: ОФАП, 2008. – С. 1.

5. Baljirsuren G. Parametric Compression of Geometric Data on the Basis of Generative Models /B. Gantsetseg., O.V.Pischinskaya., V.D. Frolovsky / Г.

Балжирсурэн., О. В. Пищинская., В. Д. Фроловский // Proceedings of the Second International Forum on Strategic Technology, – Ulaanbaatar (Mongolia), 2-5 of October 2007. pp. 404 – 407.

6. Балжирсурэн Г. Сжатие геометрическое информаций сложных объектов / Г. Балжирсурэн // Информатика №8, Улан-Батор, Институт Информатики, - Улан-Батор (Монголия)., – 2007. – С. 84-88.

7. Балжирсурэн Г. Параметрическое моделирование и проектирование нестандартных компьютерных манекенов / Г. Балжирсурэн // Материалы конференции "Технологии Microsoft в теории и практике программирования", - Новосибирск, Академгородок, НГУ., – 2007. – С.

180-182.

8. Балжирсурэн Г. Параметризация нарушенные осанки для построения нестандартных манекенов / Г. Балжирсурэн // Сборник научных трудов, Новосибирск, НГТУ, № 2(48). – 2007. – С. 39-44.

9. Балжирсурэн Г. Параметрическое моделирование компьютерных нестандартных манекенов / Г. Балжирсурэн // Материалы всероссийской научной конференции молодых ученых «НТИ». – Новосибирск. НГТУ. – 2007. – С. 28-30.

10. Балжирсурэн Г. Параметрическое моделирование и исследование трехмерных объектов со сложной структурой / Г. Балжирсурэн // Материалы научно-практические конференции “Научная инициатива иностранных студентов и аспирантов российских вузов”. – Томск. ТПУ., – 2008.

11. Балжирсурэн Г. Разработка и исследование методов параметрического моделирования компьютерных нестандартных манекенов. / Г.

Балжирсурэн // Вестник Академии Наук Монголии. – Улан-Батор, Академии Наук Монголии., №1. – 2009. – С. 55-65.

12. Baljirsuren G. Automation of the Non-standard Computer Mannequin / G.

Baljirsuren., V.D. Frolovsky / Г. Балжирсурэн., В. Д. Фроловский // Proceedings of the International Conference in «ICICT – 2009», – Ulaanbaatar (Mongolia), 12-14 of August 2009, pp. 285- Научное издание БАЛЖИРСУРЭН ГАНЦЭЦЭГ АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ НЕСТАНДАРТНЫХ КОМПЬЮТЕРНЫХ МАНЕКЕНОВ Специальность 05.13.12 – Системы автоматизации проектирования (промышленность) АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Лицензия ЛР №021278 от 06.04.98 г.

Подписано в печать 23.09.09. Формат 60х84 1/ Бумага типограф. Оперативный способ печати Усл. печ. л. 1,11. Тираж 100 экз.

Издат. № 869. Заказ № 442. Цена договорная Издательско-полиграфический центр СибАДИ 644080, Омск, ул. Мира,

 

Похожие работы:





 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.