На правах рукописи

Федорищев Леонид Александрович

МОДЕЛИ, МЕТОДЫ И ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ

СЕРВИСЫ ДЛЯ СОЗДАНИЯ ПРОФЕССИОНАЛЬНЫХ

ВИРТУАЛЬНЫХ ОБЛАЧНЫХ СРЕД

05.13.11 – математическое и программное обеспечение вычислительных

машин, комплексов и компьютерных сетей

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Владивосток — 2013

Работа выполнена в лаборатории интеллектуальных систем Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института автоматики и процессов управления ДВО РАН.

Научный руководитель: Грибова Валерия Викторовна, доктор технических наук

Официальные оппоненты: Бобков Валерий Александрович, доктор технических наук, старший научный сотрудник, заведующий лабораторией машинной графики ИАПУ

ДВО РАН

Фищенко Виталий Константинович кандидат технических наук, старший научный сотрудник, заведующий лабораторией анализа океанологической информации ТОИ ДВО РАН

Ведущая организация: Институт систем информатики имени А.П.Ершова Сибирского отделения РАН (г. Новосибирск)

Защита состоится 13 декабря 2013 года в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 005.007.01 в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте автоматики и процессов управления ДВО РАН по адресу: 690041, г. Владивосток, ул. Радио 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института автоматики и процессов управления ДВО РАН.

Автореферат разослан _ ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 005.007.01, д.т.н. А.В.Лебедев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время виртуальные среды активно используются в образовании, военной области, медицине, индустрии развлечений, бизнесе, инженерии, спорте, социальных сферах. Виртуальная среда – это компьютерная модель фрагмента реального мира, имитирующая процессы явления или события, которые могут в нем происходить под воздействием различных факторов. По типу взаимодействия с пользователем виртуальные среды могут быть разделены на неинтерактивные и интерактивные. Неинтерактивные среды предназначены для наблюдения, демонстрации каких-либо явлений или процессов, пользователь в таких средах выступает в качестве зрителя; в интерактивных средах пользователь может активно взаимодействовать с элементами среды, изменяя ее. По требованиям к профессиональной подготовке их пользователей виртуальные среды можно разделить на среды общего назначения и профессиональные.

Характерными особенностями виртуальных сред общего назначения (типичный представитель - компьютерные игры) является отсутствие какихлибо требований к профессиональной подготовке их пользователей; в них заранее определяется логика работы приложения, которая, как правило, в процессе использования мало подвержена изменениям; для таких сред характерна также коммерческая направленность реализации, что позволяет привлечь достаточно большой бюджет к разработке таких сред.

Профессиональные виртуальные среды предназначены для решения задач в некоторой предметной области подготовленными специалистами, их основу составляют предметные знания, которые подвержены частым изменениям, а бюджет при их разработке, за редким исключением, очень мал.

В общем случае процесс создания виртуальной среды состоит из нескольких основных этапов: разрабатываются 3D-модели объектов виртуального мира, для большинства моделей объектов описываются сценарии их поведения и возможного изменения отображения в виртуальной среде; затем из разработанных объектов формируется виртуальная среда (виртуальное окружение) – определяется положение объектов относительно друг друга, их размер, повороты и другие необходимые атрибуты; отдельной трудоемкой задачей является описание возможных сценариев как влияния объектов друг на друга, так и изменения виртуального мира при воздействии на него пользователя; функционал некоторых интерактивных сред требует включения оценки действий пользователя при его взаимодействии с виртуальным миром.

На сегодняшний день существуют различные специализированные и универсальные инструментальные средства, пакеты прикладных программ, библиотеки для создания виртуальных сред общего назначения: Дельфин, ToolBook, Lectora, CAVE, WorldToolKit, Avango, Lightning, Juggler, Unity3D, Virtools, Alternativa3D, Flare3D и многие другие. Значительный вклад в разработку и исследование методов и средств создания виртуальных сред внесли российские и зарубежные ученые: Беневоленский С.Б., Бобков В.А., Борзых А.А., Борисов В.Г., Вавилова Н.И., Валькман Ю.Р., Гаммер М.Д., Данилова С.К., Дзюбенко О.Л., Донской А.Н., Коженков А.О., Марченко А.Л., Сук А.Ф., Трухин А.В., Филатова Н.И., Чинакал В.О., Bierbaum A., Craig A., Cruz-Neira C., Erlbaum L., Ghee S., Jacko J., Just C., Hale K., Hansen K., Sears A., Stanney K., Sherman W., Vincenti G., Will J. и другие.

Особенностью профессиональных виртуальных сред является то, что они содержат предметные знания; их носителями являются эксперты предметной области, которые должны эти знания формировать и сопровождать. В архитектуре таких систем выделяется специализированный компонент (база знаний) и используется специализированная технология разработки, включающая экспертов и поддерживаемая специализированным инструментарием.

Однако в настоящее время неизвестны специализированные средства для разработки именно профессиональных виртуальных сред. Использование инструментов общего назначения для создания профессиональных виртуальных сред делает процесс их разработки и особенно сопровождения чрезмерно трудоемким и дорогим. Все имеющиеся средства ориентированы на использование программистами, иногда совместно с дизайнерами;

процесс разработки связан с программированием нетривиальных скриптов или программ на языках программирования с последующей сборкой и компиляцией. Часто для разработки требуется использовать несколько различных библиотек и инструментальных средств и затем собирать из них единую систему. Включение в процесс разработки экспертов предметной области возможно только в качестве консультантов, а не полноправных его участников. Любое изменение требует трудоемкого перепрограммирования, последующей сборки и компиляции виртуальной среды. Отдельной проблемой является обеспечение широкой доступности через Интернет как средств разработки и сопровождения таких виртуальных сред, так и готовых реализаций.

Указанные выше факторы определяют актуальность теоретических и прикладных исследований диссертации, направленных на решение проблемы создания и сопровождения профессиональных виртуальных облачных сред.

Целью диссертационной работы является разработка моделей, методов и инструментальных сервисов для создания и сопровождения профессиональных виртуальных облачных сред.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать общие принципы разработки инструментального сервиса, обеспечивающего создание, функционирование и сопровождение профессиональных виртуальных облачных сред.

2. Разработать онтологию профессиональной виртуальной среды и основанную на ней декларативную модель профессиональной виртуальной 3. Разработать методы интерпретации декларативной модели профессиональной виртуальной среды.

4. Разработать методы реализации инструментальных сервисов для проектирования, интерпретации и сопровождения профессиональных виртуальных облачных сред.

5. Разработать технологию проектирования и сопровождения профессиональных виртуальных облачных сред и выполнить ее экспериментальную проверку.

Методы исследования. В работе использовались методы, базирующиеся на аппарате теории множеств, компьютерной графики, системного анализа, искусственного интеллекта, объектно-ориентированного анализа и проектирования, а также методы веб-программирования.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Предложены принципы создания и сопровождения профессиональных виртуальных облачных сред, в соответствии с которыми проектирование, реализация и сопровождение такой среды заменяется проектированием и сопровождением ее декларативной модели с последующей интерпретацией; этап кодирования на языке программирования в зависимости от конкретной виртуальной среды либо сводится к минимуму, либо отсутствует.

2. Разработана онтология профессиональной виртуальной среды, состоящая из трех основных компонентов: объектов виртуального мира; действий, которые можно производить с объектами виртуальной среды; сценария возможных действий пользователя для получения результата, определяемого обучающим заданием. В онтологии явно выделено два уровня: логический и презентационный.

3. Предложены различные типы моделей профессиональных виртуальных облачных сред, которые являются, во-первых, декларативными, вовторых, формируются по онтологии, в-третьих, благодаря наличию логического и презентационного уровня в онтологии позволяют не только включить в разработку и сопровождение декларативной модели экспертов предметной области и дизайнеров, но также и разделить работу между ними.

4. Впервые разработан метод интерпретации декларативной модели виртуальной среды, заключающийся в определении способа построения виртуальной сцены, определении схем работы клиентской и серверной частей, обработки событий и сообщений, способов хранения данных.

Практическая ценность и реализация результатов работы.

Практическая значимость полученных в диссертационной работе результатов заключается в том, что разработанный комплекс программных средств (облачных сервисов) позволяет создавать и сопровождать профессиональные виртуальные облачные среды на основе декларативного подхода с включением в процесс разработки экспертов предметной области.

профессиональных виртуальных сред с использованием разработанных программных средств.

На основе предложенной технологии с помощью разработанного комплекса программных средств реализованы профессиональные виртуальные облачные среды: компьютерные обучающие тренажеры по классическим методам исследования в офтальмологии, виртуальная химическая лаборатория, моделирование городского района.

Компьютерные обучающие тренажеры внедрены в учебный процесс Тихоокеанского государственного медицинского университета на кафедре офтальмологии и оториноларингологии для обучения студентов лечебного факультета по курсу "офтальмология" и дистанционного обучения врачей.

федеральном университете для выполнения междисциплинарных курсовых проектов.

Разработанные виртуальные среды и программные средства для их разработки и сопровождения доступны для использования на платформе IACPaaS1 (Intellectual Applications, Control and Platform as a Service) как облачные сервисы.

Грибова В.В., Клещев А.С., Крылов Д.А., Москаленко Ф.М., Смагин С.В., Тимченко В.А., Тютюнник М.Б., Шалфеева Е.А. Проект IACPaaS. Комплекс для интеллектуальных систем на основе облачных вычислений // Искусственный интеллект и принятие решений. 2011. № 1. С.27-35.

Положения, выносимые на защиту:

1. Принципы построения профессиональных виртуальных сред как облачных сервисов.

2. Онтология профессиональной виртуальной среды.

3. Декларативная модель профессиональных виртуальных сред.

4. Метод интерпретации декларативной модели.

5. Комплекс программ и технология его применения для построения профессиональных виртуальных облачных сред.

Обоснованность и достоверность полученных результатов обеспечиваются корректным применением использованных в работе методов исследования и подтверждаются эффективным практическим применением предложенных в диссертации моделей, методов и программных средств.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на следующих международных и российских конференциях и семинарах: Международной конференции "Modern (e-) Learning" (г. Варна, Болгария, 2011, 2013), Международной конференции "Информационнокоммуникационные технологии в образовании и Виртуальность 2011" (г. Ялта, Украина, 2011), II и III Международной конференции по физиологии и медицине «Высокие технологии, фундаментальные и прикладные исследования в физиологии, фармакологии и медицине», (г. Санкт-Петербург, 2011, 2012), Международной конференции "Новые информационные технологии в образовании" (г.

Екатеринбург, 2012), XI Всероссийской научно-технической конференции «Теоретические и прикладные вопросы современных информационных технологий» (г. Улан-Удэ, 2012), Тринадцатой национальной конференции по искусственному интеллекту с международным участием (г. Белгород, 2012), Международной конференции International Conference on Intelligent Computing (г. Хан-шань, Китай, 2012), XIX Международной заочной научнопрактической конференции «Технические науки — от теории к практике» (г.

Новосибирск, 2013), Конкурсе научных работ молодых ученых и специалистов ИАПУ ДВО РАН (г. Владивосток, 2012), а также на семинарах лаборатории интеллектуальных систем ИАПУ ДВО РАН (2010 – 2013 гг.).

Публикация результатов работы. По материалам диссертации опубликовано 18 работ, из них 4 статьи в журналах, входящих в перечень ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, включающего наименований, и четырех приложений. Основное содержание работы

изложено на 140 страницах машинописного текста, содержит 40 рисунков и 1 таблицу.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выполненных в диссертации исследований, сформулированы цель и задачи работы, рассмотрены научная новизна, практическая ценность результатов, приведены сведения об апробации и реализации основных положений диссертации, изложена структура диссертационной работы.

Первая глава содержит обзор литературы. В ней дано определение виртуальной среды, типы и характеристики виртуальных сред, области применения. Проведен анализ современного состояния исследований и разработок в области создания виртуальных сред. Рассмотрены и проанализированы как инструментальные средства и технологии, применяемые для разработки виртуальных сред, так и существующие программные системы с виртуальной реальностью. На основе проведенного обзора определена цель и основные задачи диссертационной работы.

Во второй главе диссертации представлены основные принципы создания и концептуальная архитектура инструментария для разработки и функционирования профессиональных виртуальных сред, программные и информационные компоненты инструментального комплекса. Описана онтология и различные типы декларативных моделей профессиональной виртуальной среды.

Основными принципами создания и сопровождения профессиональных виртуальных облачных сред являются:

Автоматизация процесса разработки профессиональной виртуальной среды (ПВС). Для реализации данного принципа предложено заменить проектирование, реализацию и сопровождение ПВС на языке программирования проектированием и сопровождением декларативной модели ПВС с последующей ее интерпретацией, сведя к минимуму либо исключив (в зависимости от конкретной виртуальной среды) этап кодирования на языке программирования.

Включение в процесс разработки специалистов разного профиля экспертов предметной области, дизайнеров, программистов и разделение работы между ними. Для реализации данного принципа предложено создать онтологию виртуальной среды, выделить в ней логический и презентационный уровни, в терминах которой разработчики ПВС будут формировать и сопровождать модель ПВС. Создание моделей осуществлять через структурный и графический редакторы, управляемые онтологией.

Использование как средства разработки ПВС, так и готового приложения как облачных сервисов. Разработка ПВС и использование готового приложения как облачных сервисов не требует их установки на компьютере пользователя или разработчика, не предъявляет никаких дополнительных условий к операционной системе, оперативной памяти и др.

техническим требованиям их компьютеров. Очень важно использование данной технологии для обеспечения жизнеспособности готового приложения, поскольку в процессе всего жизненного цикла модель ПВС доступна для сопровождения. Практически только эта технология и позволяет обеспечить модифицирование модели в процессе ее использования. Удаленное использование позволяет не только расширить аудиторию пользователей средства, но также и привлекать разработчиков независимо от их географического расположения.

В соответствии с представленными принципами разработана концептуальная архитектура программного комплекса (см. рис. 1).

Программный комплекс состоит информационных и программных компонентов. Информационными компонентами комплекса являются:

онтология профессиональной виртуальной среды, декларативная модель, мультимедиа-данные, внешние функции. Программными компонентам комплекса являются: структурный и графический редакторы модели;

редактор функций; интерпретатор.

Рис. 1. Концептуальная архитектура программного комплекса Онтология профессиональной виртуальной среды состоит из трех основных компонентов: объектов, действий и сценария.

Объекты = {Простой объект, Изменяемый объект, Составной