Лаборатория компьютерной графики, специализированных программных и технических средств.

Лаборатория Компьютерной  графики, как  самостоятельное подразделение, была создана 1 октября 1978 г. по инициативе академика В.А.Трапезникова. Заведует лабораторией академик Международной академии информатизации, д.т.н., проф. Артамонов Евгений Иванович. Лаборатория создана на основе группы сотрудников лаб.29 (в то время зав.лаб. д.т.н., проф. Круг Е.К.).  

             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. К ним относятся системы измерения или управления технологическими процессами и объектами, системы проектирования и безопасности. В интерактивных системах из-за особенностей устройств ввода-вывода используется большое разнообразие форматов обрабатываемых данных, в том числе и графических, что  существенным образом усложняет процесс выбора структуры таких систем.

С 1965 г. Артамонов Е.И. руководит разработкой цифровых устройств для измерения и регулирования параметров технологических процессов. В это время возникает необходимость автоматизированного проектирования цифровых устройств и, в частности, их моделирования. На первом этапе для целей моделирования используется система МОДИС (Моделирование Дискретных Систем), разработанная коллективом сотрудников под руководством академика Н.Я.Матюхина и реализованная на ЭВМ М-220. Однако несовершенство технических средств не позволило эффективно использовать эту систему и в  1970 г. Поэтому, с момента ввода в эксплуатацию ЭВМ ICL-4-70 с плоттером, практически начата разработка интегрированной автоматизированной системы проектирования цифровых устройств, включающей подсистемы разработки схемной документации, трассировки соединений между элементами на печатных платах и моделирования. 

В начале 70-х годов Артамоновым Е.И. на основе накопленного опыта по проектированию цифровых устройств 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 реализациями отдельных блоков ИС, а также  последующего формального выбора лучшей реализации в виде определения кратчайшего пути на сетевой модели. Основная идея синтеза в 1970 г. была изложена на У-ом международном конгрессе  IMECO ( г. Версаль, Франция).

            На основании теоретических исследований были  выбраны  структуры, построены  и введены в эксплуатацию несколько типов цифровых регуляторов, система управления процессом высокоточного смешения  бензинов, система  вычисления параметров  подвижных объектов, система диспетчерского контроля за испытанием сельскохозяйственной техники и др. На структуры таких систем получено более 12 авторских свидетельств.

Система управления процессом смешения  бензинов была внедрена в начале 70-х годов в г.Грозном, она являлась первой цифровой интерактивной системой смешения нефтепродуктов в СССР, обеспечивающей смешение на потоке в  трубопроводе. Специализированный процессор системы имел оригинальную структуру, был построен на элементной базе ЭВМ Урал-10,  процессор параллельно по 16-ти каналам вычислял управляющие воздействия в соответствии с пропорционально-интегральным законом регулирования. Впервые в СССР была изменена технологическая схема процесса смешения бензинов, произошел переход от последовательного смешения компонентов смеси в емкостях 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 всем 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, в котором выделялась инвариантная к решаемым задачам часть систем, включающая средства взаимодействия пользователя с системой и внешними устройствами, и проблемно ориентированные  части.

Большую роль в понимании принципов организации систем проектирования, места  компьютерной графики в САПР, обсуждения структур данных и международных стандартов сыграл Общесоюзный семинар по компьютерной графике (научный руководитель Артамонов Е.И.).  

К 1981 г. 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 Центрпрограмистем  г. Калинин и был внедрен на ряде  машиностроительных предприятий. 

Следует заметить, что разработка систем автоматизированного проектирования является достаточно сложной задачей, занимает много времени и требует большое количество высококвалифицированных разработчиков. Стоимость программной реализации, например, для некоторых СAD систем составляет 20-50 тыс. дол. США за одно рабочее место, а затраты на продвижение их на рынке измеряются миллионами долларов в квартал.

Сложность разработки таких систем в лаборатории усугублялась обилием 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.

В период с 1980 по 1985 гг. лаборатория принимала участие в организации работ по САПР среди 12 министерств гражданских отраслей  машиностроения. В это время некоторые организации были централизованно оснащены системами автоматизированного проектирования радио электронной аппаратуры, включающими персональные компьютеры, фотоплоттеры и программное обеспечение. Сотрудники лаборатории прошли стажировку на фирме GERBER по эксплуатации фотоплоттеров, разрабатываемых этой фирмой.

С 1985 по 1990 гг.  лаборатория возглавляла работы по САПР в Комплексной программе научно-технического прогресса стран-членов СЭВ. Результатом совместных работ были созданы системы автоматизированного проектирования в различных отраслях промышленности. Например, система объемного геометрического моделирования, созданная в лаборатории использовалась для обучения студентов в Университете г. Славонский Брод (Хорватия); система тестирования печатных плат, разработанная на заводе ЕМТ (Венгрия), а также ПО для моделирования цифровых устройств и сверления печатных плат, разработанные в лаборатории, внедрены на Ленинградском металлическом заводе. В рамках программы впервые в большом количестве были произведены поставки в Россию современных персональных компьютеров, печатающих устройств, графопостроителей, фотоплоттеров и т.п.

В то же время лабораторией для нужд приборостроительных предприятий производится закупка фотоплоттеров швейцарской фирмы GLASER. Сотрудники лаборатории проходят обучение на фирме по  эксплуатации фотоплоттеров и программного обеспечения.  

К концу 90-х годов 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 широко используемых и стандартных форматов данных таких, как DXF, AI, WMF, Gerber, HPGL, PLT, PCB, STEP и т.п. 

 С использованием комплекса ГРАФИКА-81 в 1995 г. были разработаны объемные геометрические модели всех модулей орбитальной станции МИР,  кинематические модели Фермы-3 станции МИР и  компьютерные фильмы на основе этих моделей. Модели и компьютерные фильмы были использованы для обучения космонавтов.

В последующем разрабатывались методы объемного геометрического моделирования, структуры и программное обеспечение интерактивных систем на основе средств виртуальной реальности. Таким образом в 1998 г.  был создан тренажер по аварийному покиданию российских модулей Международной космической станции, с 1999 по 2004г. разработаны тренажер для обучения космонавтов процессу  развертывания ретранслятора на орбитальной станции МИР в Российско-грузинском эксперименте,  модель двигателя  «Протон» и компьютерные фильмы для моделирования результатов аварии двигателей, системы моделирования Большого космического ретранслятора и анализа эргономических характеристик пультов безопасности АЭС, а также системы визуализации при испытании разгонных блоков и мониторинга окружающей среды при уничтожении химического оружия. 

В развитие принципов построения и создание интерактивных систем внесли свой вклад следующие сотрудники лаборатории: к.ф-м.н. Павловский Д.С., Щегольков М.Ю. - 2-D система конструирования; к.т.н. Шурупов  А.А.- 3-D система; Соловьев О., Паршуков В.А., Сизова Л.Н. – система автоматической трассировки соединений между элементами на плоскости; к.т.н. Тремба В.Ю. -  система технологической подготовки производства, подготовки управляющей информации  для  станков  с ЧПУ; д.т.н. Хачумов В.М. - разработка методов  синтеза и анализа специализированных устройств периодической обработки цифровой информации применительно к системам компьютерной графики; к.т.н. Новиков Д.В. - исследования  по  организации интерпретаторов входного языка систем автоматизированного проектирования, использованию ламбда-исчислений при моделировании и синтезе структур специализированных  программных  средств; Разумовский А.И. – разработка объемных 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; Ромакин В.А. – моделирование процесса раскрытия Большого Космического Ретранслятора и эргономического анализа пультов управления АЭС.

Сотрудниками лаборатории опубликовано более 100 научных статей и 5 монографий.

Сегодня лаборатория № 18 является одним из российских лидеров в области разработки методов компьютерной графики и ее программного обеспечения применительно к CAD/CAM системам.

В лаборатории Компьютерной графики разработаны основы общей теории синтеза структур специализированных технических и программных средств, разработаны принципы построения CAD/CAM систем, создано программное обеспечение CAD/CAM комплекса ГРАФИКА-81.