Лабораторія № 18 «Комп'ютерної графіки»

1. 3 D модель станції "МИР"
2. Модель двигуна Proton GS

Лабораторія як самостійний підрозділ було створено з ініціативи директора Інституту академіка В. А. Трапезникова 1 жовтня 1978 Керівником лабораторії стає доктор технічних наук, професор Євген Іванович Артамонов. Лабораторія створена на основі групи співробітників лаб. № 29, якою в той час завідувала д.т.н., професор Олена Карлівна Коло.

Теоретична і практична діяльність лабораторії пов'язана з розробкою методів проектування інтерактивних систем (ІС), реалізованих у вигляді технічних чи програмних засобів, а також питаннями розвитку графічних технологій. Під інтерактивними розуміються системи, взаємодіючі через пристрої введення-виведення з об'єктом або користувачем в реальному масштабі часу. В інтерактивних системах через особливості зовнішніх пристроїв і систем використовується велика різноманітність форматів оброблюваних даних, в тому числі графічних, що істотно ускладнює вибір структури ІС.

ЄВГЕН ІВАНОВИЧ АРТАМОНОВ - ПЕРШИЙ КЕРІВНИК ЛАБОРАТОРІЇ (1978-2014 рр.)

Майбутній професор, д.т.н., зав. лаб. № 18 ІПУ РАН Євген Іванович Артамонов прийшов в Інститут в 1955 р у віці 20 років після закінчення Московського електромеханічного технікуму. Потім була армія (1956-1959), по завершенні військової служби - повернення в ИАТ, та навчання на вечірньому відділенні МЕІ (закінчив в 1965 г.). Починав він техніком, потім був інженером, старшим науковим співробітником і, нарешті (з 1978 р), завідувачем Лабораторією комп'ютерної графіки, спеціалізованих технічних і програмних засобів.

З 1965 по 1972 рр. Е. І. Артамонов розробляє теоретичні основи синтезу структур спеціалізованих обчислювальних пристроїв, створює і впроваджує в промисловість ряд пристроїв, серед яких найбільший інтерес представляла система змішування бензинів «Поток-1». Система була розроблена спільно ІПУ і Рязанським філією НВО «Нафтохімавтоматика» і впроваджена на Грозненському НПЗ. Робота проводилася під загальним керівництвом д.т.н., проф. Е. К. Коло. Вперше в Росії була змінена технологія змішування бензинів від послідовного покомпонентного на паралельне змішання за рахунок турбулентного руху рідких компонентів в загальному трубопроводі.

У 1972 р Е. І. Артамонов захистив кандидатську дисертацію на тему «Синтез структур спеціалізованих технічних засобів».

З кінця 60-х років Євген Іванович приступає до розробки принципів побудови програмного забезпечення систем автоматизованого проектування (САПР). Їм запропоновано новий підхід до структурної організації систем проектування, що нагадує апаратну реалізацію спецпроцесорів, коли виділяються інваріантна по відношенню до важливість справ частина систем, що включає до свого складу кошти взаємодії користувача

з системою і зовнішніми пристроями, і проблемно-орієнтована частина.

Велику роль в розумінні принципів організації систем проектування, місця комп'ютерної графіки в САПР, обговорення структур даних і міжнародних стандартів на ці структури зіграв щорічний Загальносоюзний семінар з комп'ютерної графіки, науковим керівником якого був Е. І. Артамонов.

До 1981 році була розроблена ідеологія побудови і створений інтерактивний інтегрований програмний комплекс «ГРАФІКА-81», що включає підсистеми випуску конструкторсько-технологічної документації, моделювання просторових конструкцій, автоматичного розміщення елементів і трасування з'єднань на принципових схемах і друкованих платах, підготовки керуючої інформації для верстатів з ЧПУ.

З 1975 по 1985 рр. лабораторія брала участь в організації робіт по САПР спочатку в Міністерстві приладобудування, потім серед 12 міністерств цивільних галузей машинобудування. З 1985 по 1990 рр. Е. І. Артамонов призначається Головним конструктором по САПР в Комплексній програмі науково-технічного прогресу країн-членів РЕВ (КПНТП РЕВ).

До кінця 90-х років Є. І. Артамоновим була сформульована загальна теорія формального синтезу структур інтерактивних систем, реалізованих у вигляді технічних і програмних засобів. У 1999 р Е. І. Артамонов захистив докторську дисертацію з технічних наук на тему «Моделі і методи проектування інтерактивних систем». У 2000 р йому присвоєно звання професора.

Комплекс «ГРАФІКА-81» використовувався для розробки об'ємних геометричних моделей всіх модулів орбітальної станції «МИР», кінематичних моделей «Ферми-3» станції «МИР», а також комп'ютерних фільмів, створених на основі цих моделей. Ці моделі і комп'ютерні фільми застосовувалися при навчанні космонавтів поза корабельної діяльності.

Надалі велася опрацювання методів об'ємного геометричного моделювання, структур і програмного забезпечення інтерактивних систем на основі засобів віртуальної реальності. Зокрема, в 1998 році був створений тренажер з аварійного покидання російських модулів Міжнародної космічної станції, з 1999 по 2004 рр. - тренажер для навчання космонавтів процесу розгортання ретранслятора на орбітальній станції «МИР». На основі засобів віртуальної реальності створені об'ємна геометрична модель Великого Космічного Рефлектора (БКР) на замовлення ФГУП «Енергія» в рамках програми Еврокосміческого агентства, система ергономічного аналізу пультів безпеки АЕС і система моделювання рельєфів місцевості.

В період 2000-2012 рр. Е. І. Артамонов очолював кафедру «Інженерна та комп'ютерна графіка» Московського технічного університету зв'язку та інформатики (МТУСИ).

Євген Іванович - член вчених рад ІПУ і МТУСИ, член трьох спеціалізованих учених рад, 7 його учнів стали кандидатами наук. Його творчий доробок складає понад 100 статей, одна книга, три брошури та 5 методичних посібників.

Починаючи з 2001 р, Е. І. Артамонов є науковим керівником щорічної Міжнародної конференції та виставки «Системи проектування, технологічної підготовки виробництва і управління етапами життєвого циклу промислового продукту (CAD / CAM / PDM)».

На початку 70-х років Є. І. Артамоновим була розроблена загальна теорія синтезу структур ІС, реалізованих у вигляді технічних засобів. Основна ідея синтезу структур полягала в створенні мережевої моделі ІС на основі алгоритму функціонування і можливих взаємозв'язків форматів даних з різними реалізаціями окремих блоків ІС, а також подальшого формального вибору кращої реалізації у вигляді визначення найкоротшого шляху на мережевий моделі.

На підставі теоретичних досліджень були відібрані перспективні структури, побудовані і введені в експлуатацію кілька типів цифрових регуляторів і створений ряд систем: управління процесом високоточного змішання бензинів, обчислення параметрів рухомих об'єктів, диспетчерського контролю для випробування сільськогосподарської техніки та ін. На структури таких систем отримано більше десятка авторських свідоцтв.

Система управління процесом змішання бензинів була впроваджена на початку 70-х років в м Грозному: вона була першою в СРСР цифровий інтерактивною системою змішування нафтопродуктів, що забезпечує змішання на потоці в трубопроводі. Вперше в СРСР була змінена технологічна схема процесу змішування бензинів, стався перехід від послідовного змішування компонентів суміші в ємностях до паралельного змішання на потоці в трубопроводі.

З середини 70-х років розпочато роботи по дослідженню принципів побудови та створення програмно реалізованих інтерактивних систем, зокрема, систем автоматизованого проектування (САПР). У цей момент в усьому світі при вирішенні задач автоматизованого проектування структури систем представляли собою центральну частину у вигляді прикладної програми, пов'язаної з підпрограмами графічних пакетів, таких як PLOT-10, «Графор», «ФАП-КФ» і ін. При такій структурі для рішення нового завдання доводилося систему заново перекомпіліровать. У лабораторії був запропонований новий підхід щодо структурної організації систем проектування, схожий на апаратну реалізацію спецпроцесорів, в якому виділялася інваріантна по відношенню до важливість справ частина систем, що включає до свого складу кошти взаємодії користувача з системою і зовнішніми пристроями, і проблемно-орієнтована частина.

Велику роль в осмисленні принципів організації систем проектування, місця комп'ютерної графіки в САПР і в обговоренні структур даних і міжнародних стандартів на ці структури зіграв щорічний Загальносоюзний семінар з комп'ютерної графіки (науковий керівник - Є. І. Артамонов). Два семінару були проведені в м Іжевську (1979, 1982 рр.).

До 1981 році була розроблена ідеологія побудови і створений інтерактивний інтегрований програмний комплекс «ГРАФІКА-81», що включає підсистеми випуску конструкторсько-технологічної документації, моделювання просторових конструкцій, автоматичного розміщення елементів і трасування з'єднань на принципових схемах і друкованих платах, підготовки керуючої інформації для верстатів з ЧПУ. Комплекс централізовано поширювався через «Центрпрограммсістем», м Калінін (нині - Твер), і впроваджений на ряді машинобудівних підприємств.

Слід зазначити, що розробка систем автоматизованого проектування є досить складним завданням, забирає багато часу і вимагає участі великої кількості висококваліфікованих розробників. Вартість програмної реалізації для деяких САПР становить 20-50 тис. Доларів США за одне робоче місце, а витрати тільки на їх просування на ринку вимірюються мільйонами доларів в квартал.

Складність розробки таких систем в лаб. № 18 погіршувалася безліччю різних технічних засобів і операційних систем, на яких послідовно створювався комплекс «ГРАФІКА-81» - від ICL-4-70, ЄС-ЕОМ, М-6000, СМ-1420 до персональних комп'ютерів.

З 1975 по 1985 рр. лабораторія брала участь в організації робіт по САПР спочатку в Міністерстві приладобудування, потім серед 12 міністерств цивільних галузей машинобудування. З 1985 по 1990 рр. лабораторія очолювала роботи по САПР в Комплексній програмі науково-технічного прогресу країн-членів РЕВ (КПНТП РЕВ). У програмі від СРСР брали участь 300 організацій і стільки ж - з боку країн-членів РЕВ і СФРЮ.

До кінця 90-х років була сформульована загальна теорія формального синтезу структур інтерактивних систем, реалізованих у вигляді технічних і програмних засобів. Реалізація мережевий моделі для синтезу програмних ІС зажадала написання програм перетворення і візуалізації як широко використовуваних, так і стандартних форматів даних: DXF, WMF, Gerber, HPGL, PLT, PCB, STEP, VRML і т. П.

Комплекс «ГРАФІКА-81» використовувався для розробки об'ємних геометричних моделей всіх модулів орбітальної станції «МИР», кінематичних моделей «Ферми-3» станції «МИР», а також комп'ютерних фільмів, створених на основі цих моделей. Всі розробки застосовувалися при передпольотної навчанні космонавтів.

3 D модель станції "МИР"

Надалі пророблялися методи об'ємного геометричного моделювання, структур і програмного забезпечення інтерактивних систем на основі засобів віртуальної реальності. Так, в 1998 році був створений тренажер з аварійного покидання російських модулів Міжнародної космічної станції, з 1999 по 2004 рр. - тренажер для навчання космонавтів розгортання ретранслятора на орбітальній станції «МИР» в російсько-грузинському експерименті, об'ємна геометрична модель двигуна «Протон» для моделювання результатів аварії двигунів, підсистема візуалізації при випробуваннях розгінних блоків та моніторингу навколишнього середовища в процесі знищення хімічної зброї.

Модель двигуна Proton GS

У розвиток принципів побудови і створення інтерактивних систем внесли вклад багато співробітників лаб. № 18: к. Ф-м .н. Д. С. Павловський, М. Ю. Щегольков (2-D система конструювання), к.т.н. А. А. Шурупів (3-D система), О. І. Соловйов, В. Н. Паршуков, Л. Н. Сизова (система автоматичного трасування з'єднань між елементами на площині), к.т.н. В. Ю. Тремба (система технологічної підготовки виробництва, підготовки керуючої інформації для верстатів з ЧПУ), д.т.н. В. М. Хачумов (розробка методів синтезу і аналізу спеціалізованих пристроїв періодичної обробки цифрової інформації стосовно систем комп'ютерної графіки), к.т.н. Д. В. Новіков (дослідження по організації інтерпретаторів вхідного мови систем автоматизованого проектування, використання лямбда-числень при моделюванні і синтезі структур спеціалізованих програмних засобів), к.т.н., с.н.с. А. І. Розумовський (розробка об'ємних геометричних моделей та інтерактивних систем на основі засобів віртуальної реальності, STEP-вьюер, програми перетворення структур даних, підсистеми візуалізації при випробуваннях розгінних блоків та моніторингу навколишнього середовища при знищенні хімічної зброї).

До 2008 року к.т.н., с.н.с. В. А. Ромакіним на основі засобів віртуальної реальності створюється об'ємна геометрична модель великого космічного рефлектора (БКР) на замовлення ФГУП «Енергія» в рамках програми Еврокосміческого агентства, система ергономічного аналізу пультів безпеки АЕС і система моделювання рельєфів місцевості.

Моделювання процесу розкриття БКР

К.т.н., с.н.с. П. А. Правильник в 2004 р довів дискретний аналог відомої «фізичної» теореми Е. Нетер і вивів з неї закони збереження перебору. Відповідно до цих законів величина перебору зберігається при вирішенні прямої і оберненої задачі для логічних, алгебраїчних і диференціальних рівнянь. Закони збереження перебору послужили теоретичним обгрунтуванням гіпервичісленій з використанням обчислювальних пристроїв з механізмом гіпермассового паралелізму. Пізніше з'ясувалося, що механізм гіпермассового паралелізму може бути використаний і для вирішення NP-повних задач, таких як деякі завдання оптимального управління, завдань побудови тестів, завдань верифікації БІС, завдань пошуку найкоротшого шляху в процесах трасування друкованих плат. Використовуючи отримані результати, в 2008 р лаб. № 18 виграла конкурс РФФД, отримавши грант на проект «Теоретичне обґрунтування та розробка макета процесора-прискорювача на основі механізму гіпермассового паралелізму для вирішення NP-повних задач» (проект РФФД 08-07-00 067-а).

ТОЛОК ОЛЕКСІЙ ВЯЧЕСЛАВОВИЧ - КЕРІВНИК ЛАБОРАТОРІЇ З 2015 р

У 1984 році закінчив Горьківський інженерно-будівельний інститут за фахом - архітектор і розподілений за фахом в «Запоріжцивільпроект» г. Запорожье (Україна). У 1991 році закінчив аспірантуру на кафедрі «Прикладна геометрія, інженерна та комп'ютерна графіка» Київського інженерно-будівельного інституту і в 1992 році захистив кандидатську дисертацію за спеціальністю 05.13.12 «Системи автоматизації проектування» (друга вища освіта).

У Запорізькому державному університеті розпочав трудову діяльність в 1992 році на кафедрі прикладної математики. Викладав студентам математичного факультету геометричне моделювання та комп'ютерну графіку.

У 2004 році в Київському національному університеті будівництва і архітектури захистив докторську дисертацію за спеціальністю 05.01.01 - «Прикладна геометрія та комп'ютерна графіка» на тему «Синтез візуальних образів локальних геометричних характеристик багатовимірних функцій» (третю вищу освіту).

У 2005 році продовжує свою науково-педагогічну діяльність в якості провідного наукового співробітника лабораторії комп'ютерної графіки в Інституті Проблем Управління ім. В.А. Трапезникова РАН, а також професора кафедри інженерної та комп'ютерної графіки Московського технічного університету зв'язку та інформатики. З 2006 р член-кореспондент міжнародної Академії наук вищої школи Санкт-Петербурзького відділення. У 2009 році пройшов нострифікацію диплома доктора технічних наук за спеціальністю інженерна геометрія і комп'ютерна графіка в ВАК Росії. У 2010 році обраний за конкурсом завідувачем кафедри «Інженерна графіка» в Московському Державному Технологічному Університеті «Станкин». Член спеціалізованої вченої ради по захисту докторських дисертацій при Нижегородському державному архітектурно-будівельному університеті за спеціальністю 05.01.01 - інженерної геометрії та комп'ютерної графіки, спеціалізованої вченої ради при ІПУ РАН за фахом 05.13.12 - системи автоматизації проектування і одного з дисертаційних рад МГТУ «Станкин» ереезжает з с по спеціальності 05.02.05 - роботи, мехатроніка і робототехнічні системи.

У 2015 році призначений завідувачем лабораторією комп'ютерної графіки в Інституті Проблем Управління ім. В.А. Трапезникова РАН і керівником секції молодіжної наукової школи.

Опублікував більше 200 наукових і навчально-методичних праць, видав монографію з описом власного методу функціонально-воксельного моделювання. На основі методу функціонально-воксельного моделювання створюється новий напрямок сучасної комп'ютерної геометрії - локальна комп'ютерна геометрія.

З 2016 обраний за конкурсом експертом РАН по проведенню оцінки державних наукових досліджень.

В якості наукового керівника забезпечив виконання робіт по розробці вітчизняного аналога 3D-принтера на основі принципу стереолітографії. Напрямки наукової діяльності: комп'ютерне геометричне моделювання, воксельного графічне моделювання, розробка систем проектування і управління. Підготував 3-х кандидатів технічних наук.

У 2016 році пройшла захист кандидатська дисертація співробітника лабораторії Михайла Олександровича Локтєва на тему "Функціонально-воксельного моделювання в задачах пошуку шляху з перешкодами". Розроблено та досліджено розрахункові кошти із застосуванням апарату R-функцій до методу функціонально-воксельного моделювання (ФВМ) для автоматизації завдань прокладки шляху з перешкодами на основі відомих аналітичних підходів. Проведені дослідження показали ефективність застосування функціонально-воксельних моделей в аналітичному моделюванні геометричних об'єктів для вирішення оптимізаційних задач на основі побудови діаграми Вороного, моделювання руху безпілотного об'єкта по градиентному спуску, а також запропоновано принципово новий підхід рельєфною трасування, що базується на виявленні та застосуванні характерних форм рельєфу поверхні , яка організована на принципах підвищення простору плоских контурів, що описують габарити репятствія. Характерно, що запропонований підхід і алгоритми легко переносяться на завдання багатовимірного простору.

діаграма Вороного

Рельєфна трасування з обходом перешкод

Метод найшвидшого спуск з перешкодами

З 2017 року колектив співробітників лабораторії (с.н.с., к.т.н. Розумовський А.І., С.н.с., к.т.н. Ромакін В.А., с.н.с ., к.т.н. Локтєв М.А. і ст.інженер, аспірант Плаксін А.М., вед.інженер-програміст Сизова Л.Н., вед.інженер-програміст Савельєв К.А., інженер-програміст Гірські Ю.В.) веде проектно-дослідницьку роботу над Державним замовленням по створенню і розвитку системи адаптації пакету графічних даних (САГП) для ПАТ "РКК" Енергія "для організації мультісітемних засобів обробки електронної проектної документації космічного апарату з пос ледующей адаптацією до прикладних задач автоматизації процесу підготовки польотів і космонавтів.

Інтерфейс системи САГП

Співробітниками лабораторії опубліковано понад 450 наукових статей, видано 5 монографій і зареєстровано 7 патентів і свіделельтсв на винахід та програмну реалізацію.

Одним з нових напрямків досліджень лабораторії є квантові технології. Провідним науковим співробітником к.т.н. Правільщіковим П.А. розробляється механізм квантового параллелілізма для майбутніх квантових комп'ютерів.

Під організацією с.н.с., к.т.н. Смирнова С.В. проведені 18 щорічних міжнародних конференцій «Системи проектування, технологічної підготовки виробництва і управління етапами життєвого циклу промислового продукту (CAD / CAM / PDM - 2000-2018)».