117. Принципы создания цифровых виртуальных тренажеров.

Требования к разрабатываемым тренажерам

Тренажер определяется как техническое средство профессиональной подготовки человека-оператора, предназначенное для формирования и совершенствования у обучаемых профессиональных навыков и умений, необходимых им для управления материальным объектом, путем многократного выполнения обучаемыми действий, свойственных управлению реальным объектом.

Тренажер должен состоять из ряда обязательных элементов:

• рабочих мест операторов;

• моделирующего устройства;

• рабочего места инструктора;

• устройства контроля и оценки действий оператора.

Компьютерный (виртуальный) тренажер – тренажер, в составе которого как модель объекта, так и рабочее место обучаемых и инструктора реализуются на базе компьютерных средств.

Одно из главных требований к мультимедиа тренажеру – высокое качество изображения, которое должно обеспечивать соответствие виртуального стенда реальному объекту. При разработке тренажера должны использоваться отсканированные или цифровые фотографии или оцифрованные кадры видео реальных приборов и устройств. Каждый аппарат (стенд) имеет ограниченное количество движущихся элементов. Это различные стрелки, отметки шкал, рукоятки, кнопки, тумблеры, переключатели. Остальное оборудование неподвижно и в программе тренажера должно исполнять роль фона. Движущиеся элементы внедряются на этом фоне в трехмерные сцены и только для них создаются сценарии анимации.

Виртуальному мультимедиа тренажеру целесообразно иметь как минимум два режима работы: режим "Тренировки" и режим "Выполнения работы". В режиме "Тренировки" пользователь может детально ознакомиться со всеми этапами работы. Режим "Тренировки", по сути, является работой по алгоритму. Важно отметить, что алгоритм должен быть представлен не в виде непрерывного видео или анимационного клипа, а как последовательность шагов. Таким образом, повышается гибкость взаимодействия тренажера с пользователем, он может несколько раз просматривать отдельные этапы, причем в любом порядке. Проверки действий пользователя в режим Тренировки не вводятся.

В режиме "Выполнения работы" обучаемому предлагается воспроизвести ранее изученную последовательность действий при возникающих ситуациях на виртуальном аппарате, при этом существует система контроля, следящая за правильностью действий пользователя. В случае ошибки выводятся подсказки, предупреждения. Грубые ошибки пользователя вызывают так называемую "аварийную ситуацию". Возможность моделирования подобных нештатных ситуаций – одно из достоинств Виртуальных тренажеров, так как на физическом (часто дорогостоящем) оборудовании подобные действия студента не допускаются.

При выполнении работы на виртуальном тренажере пользователю предоставлена такая же свобода действий, как и при работе с реальным объектом. Он не ограничен жесткой последовательностью действий.

118. Восстановление формы скрытых объектов в медицинских исследованиях

В практике медицинских исследований и диагностике существует задача визуального наблюдения органов, закрытых мягкими тканями. Единственным инструментом получения информации об исследуемом объекте являются рентгеновские лучи и иногда ультразвуковые волны. С помощью методов томографии удается восстановить послойную форму "среза" объекта. Информация о серии срезов достаточна для синтеза на компьютере изображения скрытого объекта в любом ракурсе. Сущность способа заключается в следующем. При получении томограмм, достаточно часто и равномерно пересекающих объект от его начала до конца в выбранном направлении, автоматически запоминают в компьютере пространственное положение каждого среза и линию внешнего контура в пределах отдельного среза. Трехмерную форму объекта представляют в виде стопки поставленных друг на друга обобщенных вертикальных цилиндров. Образующая каждого цилиндра равна по длине расстоянию между соседними срезами, а направляющая соответствует линии внешнего контура объекта в срезе. Направляющие всех цилиндров параллельны между собой и перпендикулярны плоскости, в которой вращается рентгеновская пушка. Форму направляющей линии обычно не удается описать аналитически, поэтому эту замкнутую кривую разбивают на прямолинейные отрезки, составляющие ломаную замкнутую линию. Обобщенный цилиндр, соответствующий определенному срезу томограммы, аппроксимируют многогранником. Стопка поставленных друг на друга многогранников служит математической моделью объекта, закрытого от непосредственного наблюдения. После получения модели производят ее визуализацию методами машинной графики.

Так как основная задача такого медицинского исследования сводится к наиболее полной передаче формы объекта через изображение в различных ракурсах, то это изображение должно быть построено без теней и зеркальных бликов. Поэтому наиболее приемлемым методом отображения является метод изображения полигонального поля. Объект представляется в виде совокупности примитивов - многогранников, а поверхность каждого из них, в свою очередь, из прямоугольников, образующих замкнутую ленту, и двух торцевых многоугольников.

Для изображения такого полигонального поля применяют ортогональную проекцию, что и вычислительно эффективно, и приемлемо с потребительской точки зрения.

Отличительные признаки изображений, восстановленных из томограмм по такому алгоритму или подобному ему:

• освещенность округлых предметов плавно падает до нуля к краям объекта;

• ближайшая к наблюдателю точка на округлом предмете является самой яркой;

• отсутствует зеркальность в тени, как это бывает на фотоизображениях, связанных с помощью фотовспышки;

• при низком разрешении томограммы или недостаточной частоте срезов по предмету на изображении выделяются грани срезов томограмм и их послойная структура.