Авторитетность издания
ВАК - К1
RSCI, ядро РИНЦ
Добавить в закладки
Следующий номер на сайте
№1
Ожидается:
24 Декабря 2024
Статьи журнала №3 2022
1. Тренажер для реабилитации пациентов с проблемами мобильности руки, построенный с использованием технологий виртуальной реальности [№3 за 2022 год]Авторы: Аглямов Ф.Р. (aglyamov.fox@gmail.com) - Казанский (Приволжский) федеральный университет (магистр); Кугураков В.С. (vladimir.kugurakov@kpfu.ru) - Казанский (Приволжский) федеральный университет, SIM – лаборатория симуляционных технологий в биомедицине (доцент, ведущий научный сотрудник), кандидат физико-математических наук;
Аннотация: Рука – одна из самых важных частей человеческого тела, травмы которой серьезно влияют да-же на обычную деятельность. Поэтому восстановление функций и подвижности руки является од-ной из самых сложных проблем, решение которой необходимо для обеспечения нормальной по-вседневной жизни человека. Предметом настоящего исследования является аппаратно-программный тренажерный комплекс для реабилитации пациентов с нарушениями подвижности руки, построенный с использованием технологии виртуальной реальности. Актуальность этой темы обусловлена высоким уровнем заинтересованности и мотивированности пациента, что потенциально может повысить интерес и эффективность реабилитационных процедур. Проанализированы современные методы моделирования движения, а также оценены возможности применения технологии виртуальной реальности для реабилитации и отслеживания изменения двигательных функций пациентов с проблемами когнитивного характера. Результатами проведенного исследования стали прототип перчатки и программное обеспечение для сбора информации о степени сгиба пальцев, а также комплекс упражнений для пациента и записи прогресса реабилитации для дальнейшего анализа. Представлен возможный вариант архитектуры интеграции считывающей перчатки с современными VR-системами. Названные результаты практически использованы в экспериментальном методе реабилитации, апробированном в медицинской практике. Приведены дальнейшие планы развития этого метода и расширения его функционала.
Abstract: A hand is one of the most important parts of the human body; its injuries seriously affect even normal activities. Thus, restoring the hand function and mobility is one of the most complex and important top-ics for normal daily life. The subject of this study is a hardware-software simulator complex to reha-bilitate patients with hand mobility disorders using virtual reality technology. The topic is relevant due to a higher level of patient’s interest and motivation, which can potentially increase the interest and ef-fectiveness of rehabilitation procedures.
The authors have analyzed modern motion modeling methods, as well as the use of a virtual reality technology for rehabilitation and tracking changes in motor functions of patients with cognitive prob-lems.
The result of the study is a prototype glove and software for collecting information about the finger flexion degree, as well as a set of exercises for a patient and rehabilitation progress recordings for fur-ther analysis. The paper presents a possible architecture option for integrating the reading glove with modern VR systems.
Practical relevance relates to the introduction of an experimental method for rehabilitation, the ef-fectiveness of which has been proven theoretically and will probably be effective in practice, which is planned to be proven later.
Section 6 outlines further plans for the glove development, as well as the addition of functionality to the rehabilitation application.
Ключевые слова: инсульт, целенаправленная терапия, экзергейминг, серьезные игры, перчатка, реабилитация кисти, vr, виртуальная реальностьKeywords: stroke, task-oriented therapy, exergaming, serious games, glove, hand rehabilitation, vr, virtual reality
Просмотров: 4839
2. Использование частичной параллелизации для триангуляции двумерных областей [№3 за 2022 год]
Авторы: Бикбулатов Т.Х. (ch7cly@gmail.com) - Казанский (Приволжский) федеральный университет, Институт вычислительной математики и информационных технологий (студент); Тумаков Д.Н. (dtumakov@kpfu.ru) - Казанский (Приволжский) федеральный университет, Институт вычислительной математики и информационных технологий (доцент), кандидат физико-математических наук;
Аннотация: Триангуляция произвольной области является одной из фундаментальных задач вычислитель-ной геометрии. Классические подходы к триангуляции, например, триангуляции Делоне, дают треугольники, которые имеют достаточно широкий диапазон изменения значений их углов. Одна-ко для ряда задач необходимо, чтобы полученные треугольники обладали более конкретными свойствами. В работе предложен алгоритм триангуляции областей сложной геометрии с учетом заранее заданных ограничений на минимальные значения углов и максимальные длины сторон полученных треугольников. Алгоритм состоит из трех основных этапов. Первый этап принимает на вход набор точек, задающих границу фигуры, и формирует из них начальное разбиение на подобласти, генерируя точки для дальнейшей триангуляции. Такая генерация для каждой подобласти проводится совершенно независимо, что позволяет достичь максимального ускорения при распараллеливании (нагружая все логические ядра процессора с технологией hyper-threading). Затем фигура триангулируется алгоритмом «разделяй и властвуй». Здесь наибольшая производительность достигается при числе потоков, равных числу физических ядер процессора. На последнем этапе произведено уточнение параметров треугольников на основе алгоритма Рупперта. В силу специфики алгоритма последовательный код является оптимальным на этом этапе. Все этапы параллелизации реализованы с использованием технологии OpenMP на языке C++. Показаны численные результаты, характеризующие прирост производительности вычислений для различного числа потоков в зависимости от размерности задачи.
Abstract: Delaunay triangulation of an arbitrary domain is one of the fundamental problems of computational geometry. Classical approaches to Delaunay triangulation produce triangles that have a wide range of angle values.
The paper proposes an algorithm for triangulation of complex geometry domains taking into ac-count predetermined parameters: the minimum angle and the maximum side length of the obtained tri-angles. The algorithm consists of three main stages. The first stage takes a set of points that set the fig-ure boundary as input, and forms an initial partition into subdomains from them generating points for further triangulation. Such generation for subdomains is completely independent; therefore, it is most effectively parallelized by the number of logical cores. The figure is then triangulated by the divide-and-conquer algorithm. Here, the highest performance is achieved with the number of threads equal to the number of physical processor cores. At the last stage, the parameters of triangles are refined by a method based on Ruppert’s algorithm. Due to the specifics of the algorithm, the serial code is optimal at this stage.
All parallelization is implemented using OpenMP technology in C++. The paper shows numerical results representing the increase in computing performance for a different number of threads depend-ing on the problem dimension.
Ключевые слова: openmp, параллелизация, алгоритм рупперта, триангуляция делонеKeywords: OpenMP, parallelization,, ruppert's algorithm, delaunay triangulation
Просмотров: 4538
3. Решение задачи дифракции электромагнитной волны на экранах произвольной формы с использованием технологии CUDA [№3 за 2022 год]
Авторы: Гиниятова Д.Х. (normaliti@gmail.com) - Казанский (Приволжский) федеральный университет, Институт вычислительной математики и информационных технологий (старший преподаватель); Маркина А.Г. (m8angelina@gmail.com) - Казанский (Приволжский) федеральный университет, Институт вычислительной математики и информационных технологий (младший научный сотрудник);
Аннотация: Рассмотрен алгоритм решения задачи дифракции плоской электромагнитной волны на экранах произвольной формы с применением технологии параллельного программирования CUDA. Задача сформулирована в виде интегро-дифференциального уравнения. Ее численное решение условно разделено на три этапа. На первом этапе построена треугольная сетка, покрывающая поверхность исходной области. На основе этой сетки сформирован массив так называемых RWG-элементов (пар треугольников с общим внутренним ребром) и вычислены дополнительные гео-метрические характеристики. На втором этапе вычислены элементы матрицы моментов и столбца правой части системы линейных алгебраических уравнений, для решения которой на третьем этапе применен метод моментов. В качестве базисных и пробных функций использованы RWG-функции. Для построения соответствующих RWG-элементов на GPU разработан простой и быстрый алгоритм триангуляции области с произвольной границей. Представлены численные результаты решения задачи дифракции для экрана канонической (квадратной) формы и правильного восьми-угольника с разным уровнем дискретизации области. Полученные значения хорошо согласуются с результатами прежних исследований. Проведен сравнительный анализ времени выполнения последовательного и параллельного алгоритмов, который показал, что применение технологии CUDA существенно ускоряет решение задачи дифракции электромагнитной волны на плоских металлических экранах произвольной формы. При заполнении матрицы моментов максимальное 20-кратное ускорение достигнуто при количестве RWG-элементов, превышающем 2 500.
Abstract: The paper considers the algorithm for solving the problem of electromagnetic (EM) wave diffraction on flat arbitrary shape screens using the CUDA parallel programming technology.
The problem is formulated as an integro-differential equation and solved by the method of moments (Galerkin method). The authors have chosen RWG functions as basis and testing functions. They have developed a simple and fast algorithm for triangulating a domain with an arbitrary boundary to con-struct the corresponding RWG elements on GPU. Numerical results were presented for the diffraction problem on canonical and complex shape screens. The obtained solution is in good agreement with the results of the previous studies.
The paper also presents a comparative analysis of the execution time of serial and parallel algo-rithms. It is shown that the use of CUDA technology significantly speeds up the solving of the problem of EM wave diffraction on flat metal arbitrary shape screens.
Ключевые слова: параллельный алгоритм, rwg-функция, метод моментов, технология cuda, задача дифракцииKeywords: parallel algorithm, rwg functions, method of moments, cuda technology, diffraction problem
Просмотров: 3991
4. Истинные и фиктивные собственные значения системы граничных интегральных уравнений Мюллера [№3 за 2022 год]
Авторы: Кетов И.В. (ivlketov@gmail.com) - Казанский (Приволжский) федеральный университет (магистрант); Октябрьская А.О. (alina.oktyabrskaya.21@gmail.com) - Государственный университет штата Луизиана (аспирант); Спиридонов А.О. (aospiridonov@gmail.com) - Казанский (Приволжский) федеральный университет, НИЛ «Высокопроизводительные вычисления, медицинская кибернетика и машинное зрение» (Институт вычислительной математики и информационных технологий) (старший научный сотрудник), кандидат физико-математических наук; Карчевский Е.М. (ekarchev70@gmail.com) - Казанский (Приволжский) федеральный университет, НИЛ «Высокопроизводительные вычисления, медицинская кибернетика и машинное зрение» (Институт вычислительной математики и информационных технологий) (доцент, профессор кафедры прикладной математики и искусственного интеллекта, главный научный сотрудник), доктор физико-математических наук;
Аннотация: Теоретически и численно исследован спектр нелинейной задачи на собственные значения системы граничных интегральных уравнений Мюллера. В общем случае собственные значения этой задачи распадаются на два множества – множество истинных собственных значений, соответствующих исходной задаче на собственные значения оператора Гельмгольца, и множество фиктивных собственных значений, которые соответствуют так называемой вывернутой наизнанку задаче. Поэтому важно определить условия, при которых исходная задача на собственные значения оператора Гельмгольца на плоскости и соответствующая задача для интегрального оператора будут спектрально эквивалентны. Исходная задача на собственные значения оператора Гельмгольца сведена к нелинейной задаче на собственные значения системы граничных интегральных уравнений Мюллера. Решения исходной задачи и задачи, вывернутой наизнанку, найдены методом разделения переменных. Решение системы граничных интегральных уравнений Мюллера построено методом Галеркина. Сформулирована и доказана теорема эквивалентности для исходной задачи на собственные значения оператора Гельмгольца и системы граничных интегральных уравнений Мюллера. Численно проверено, что спектр нелинейной задачи на собственные значения системы граничных интегральных уравнений Мюллера, помимо истинных собственных значений, содержит фиктивные. Определен диапазон, который состоит только из фиктивных собственных значений, и показано, что эти фиктивные собственные значения явно отделены от истинных собственных значений. Доказанная теорема эквивалентности дает теоретическое обоснование применимости метода граничных интегральных уравнений Мюллера. Разработанные компьютерные программы могут быть непосредственно использованы при моделировании микродисковых лазеров.
Abstract: The authors have investigated the spectrum of a nonlinear eigenvalue problem for a system of bounda-ry integral equations theoretically and numerically. In general, eigenvalues of this problem split into two sets. The first set is the set of the true eigenvalues corresponding to the original eigenvalue prob-lem of the Helmholtz operator. The second set is the set of fictitious eigenvalues that correspond to the so-called "turned inside-out" problem. Therefore, it is important to determine the conditions under which the original eigenvalue problem for the Helmholtz operator on a plane and the corresponding problem for the integral operator are spectrally equivalent.
The original eigenvalue problem for the Helmholtz operator is reduced to a nonlinear eigenvalue problem for the system of Muller boundary integral equations. The solutions of the original problem and the "turned inside-out" problem are found by the method of separation of variables. The solution of the system of Muller boundary integral equations is based on the Galerkin method.
The paper formulates and proves the equivalence theorem for the original eigenvalue problem for the Helmholtz operator and the system of Muller boundary integral equations. It shows that the spec-trum of the nonlinear eigenvalue problem of the system of Muller boundary integral equations contains fictitious eigenvalues in addition to the true eigenvalues. There is a defined area on the complex plane that consists only of fictitious eigenvalues; and it is shown that these fictitious eigenvalues are explicit-ly separated from true eigenvalues.
The equivalence theorem provides a theoretical justification for the applicability of the Muller boundary integral equation method. The developed computer programs can be directly used in the modeling microdisk lasers.
Ключевые слова: спектральная эквивалентность, активная область, микродисковый лазер, система граничных интегральных уравнений мюллера, задача на собственные значенияKeywords: spectral equivalence, active microcavity, microdisk laser, muller boundary integral equations, eigenvalue problem
Просмотров: 3441
5. Структуризация сущностей естественного текста с использованием нейронных сетей для генерации трехмерных сцен [№3 за 2022 год]
Авторы: Козар Б.А. (bogdan.kozar.itis@gmail.com) - Казанский (Приволжский) федеральный университет (инженер); Кугуракова В.В. (vlada.kugurakova@gmail.com) - Казанский (Приволжский) федеральный университет (доцент), кандидат технических наук; Сахибгареева Г.Ф. (gulnara.sahibgareeva42@gmail.com) - Казанский (Приволжский) федеральный университет (ассистент);
Аннотация: Предметом настоящего исследования является автоматизация с помощью нейронных сетей процесса сборки трехмерной сцены, которая может быть использована как для генерации по текстовому описанию трехмерных сцен или локаций в компьютерных играх, так и для подготовки секвенций трехмерных синтетических данных. Эта тематика актуальна для разработки трехмерной графики, в том числе для интерактивных проектов – игр, тренажеров, AR/VR-приложений. В результате анализа и сравнения результатов, полученных в ряде известных выполненных проектов, выделены те технологии и программные библиотеки, которые позволяют эффективно достичь поставленной цели – предоставить быструю сборку трехмерных сцен, наполненных объектами, согласно текстовому описанию. Благодаря синтезу лучших решений удалось создать оптимальную концепцию, которая позволяет добиться быстрого и качественного результата при верно сформулированных правилах по выстраиванию геометрических отношений между объектами сцены. Сформированы перечень требований к проектируемому инструменту и его архитектура. Входными данными для применения этого инструмента является текст на естественном языке, выходными – сцена с объектами, соответствующими использованному описанию. Основным достигнутым результатом стал готовый программный инструмент для Unreal Engine, разработанный на основе нейронной сети nlp-ue4 и набора библиотек tensorflow, nltk, pandas, gensim, h5py. Готовность инструмента оценена как прототипное решение, которое можно инте-грировать в этап черновой сборки интерактивных проектов с трехмерной графикой. Для объективной оценки эффективности созданного инструмента проведены эксперименты, которые доказали, что его применение даже в текущей версии значительно сокращает время разработки, а также не требует наличия у пользователя навыков программирования или создания трех-мерной графики. Обсуждены также перспективы развития исследований.
Abstract: The subject of this study is the automation using neural networks of the process of assembling three-dimensional scene, which can be used both to generate three-dimensional scenes or locations in com-puter games from a textual description, and to prepare sequences of three-dimensional synthetic data. This topic
is relevant for developing three-dimensional graphics including interactive projects – games, simula-tors, AR/VR applications.
After analyzing and comparing the results obtained in a number of well-known completed projects, the authors determine technologies and software libraries, which allow effectively achieving the de-sired goal - to provide fast assembly of three-dimensional scenes filled with objects according to the text description. Thanks to synthesis of the best solutions, it was possible to create an optimal concept that allows achieving quick and qualitative result with the right rules of building geometrical relations between scene objects. There is a formed list of requirements to the designed tool and its architecture. Input data for using this tool is a text in natural language; output data is a scene with objects corre-sponding to the description used.
The main result achieved is a finished software tool for Unreal Engine developed on the basis of the nlp-ue4 neural network and the set of tensorflow, nltk, pandas, gensim, h5py libraries. The readiness of the tool is evaluated as a prototype solution, which can be integrated into the drafting stage of interac-tive projects with three-dimensional graphics.
To evaluate the created tool effectiveness objectively, the authors have conducted the experiments that proved that its use even in the current version significantly reduces development time and does not require a user to have skills in programming or creating three-dimensional graphics.
There is also a discussion about the research development prospects.
Ключевые слова: компьютерная графика, unreal engine, нейронные сети, nlp, автоматизация, дизайн уровней, процедурная генерация, визуализация, трехмерное моделирование, компьютерные игрыKeywords: computer graphics, unreal engine, neural network, nlp, automation, level design, procedural generation, render, 3d modeling, computer games
Просмотров: 5187
6. Фильтрационная модель и параллельные вычисления характеристик кровотока в системе кровообращения при наличии закупоривающего кольцевого тромба [№3 за 2022 год]
Авторы: Конюхов В.М. (vladimir.konyukhov@kpfu.ru) - Казанский (Приволжский) федеральный университет (профессор), доктор физико-математических наук; Храмченков М.Г. (mkhramch@gmail.com) - Казанский (Приволжский) федеральный университет (профессор), доктор физико-математических наук; Конюхов И.В. (i.konyukhov@innopolis.ru) - Университет Иннополис (доцент), кандидат физико-математических наук;
Аннотация: На основе общих уравнений фильтрации выполнено математическое описание течения крови в системе кровообращения при наличии тромба пористой структуры, сформировавшегося на стенке кровеносного сосуда, с учетом движения флюида внутри тромба и его разрушения под действием гидродинамических сил. В модели учтено, что изменение внутренних нагрузок, возникающих в материале тромба, приводит к формированию неоднородного распределения проницаемости, которая является функцией пространственных координат и времени. В предположении симметричности тороидальной формы тромба рассмотрена плоская двумерная задача в поперечном разрезе сосуда и тромба. Для решения поставленной задачи использованы конечно-разностные методы и разработаны итерационные алгоритмы с применением технологий параллельных вычислений. Распараллеливание расчетов проведено также при визуализации гидродинамических характеристик потоков. Численная и алгоритмическая модели реализованы в программном комплексе, который позволяет проводить вычислительные эксперименты с одновременной визуализацией их результатов. Про-веден анализ влияния формы и структуры кольцевого тромба, образовавшегося у стенки кровеносного сосуда, на основные гидродинамические характеристики, определяющие вероятность отрыва тромба от стенки. Показано, что наиболее опасными являются тромбы с острым углом наклона между внешней границей тромба и стенкой сосуда. Это обусловлено двумя факторами: возникающим вращательным моментом сил, стремящихся оторвать передний край тромба от стенки сосуда, и локальным градиентом давления у основания сгустка, значительно превышающим градиент давления в сосу-де вне тромба. При этом проницаемость тромба влияет на общий перепад давления и максимальный градиент давления, но практически не изменяет направление потока жидкости в кровеносном сосуде.
Abstract: The authors have mathematically described the blood flow in the circulatory system based on the gen-eral filtration equations at the presence of an occluding circular porous clot located on the vessel wall, taking into account clot destruction under the action of hydrodynamic forces. The change in the inter-nal forces occurring in the clot material leads to forming an inhomogeneous permeability distribution, which is a function of spatial coordinates and time. Under the assumption of a symmetric toroidal shape of the thrombus, the paper considers a flat two-dimensional problem in the cross section of the vessel and a clot.
The authors have developed finite-difference schemes and iterative algorithms using parallel com-puting technologies to solve corresponding two-dimensional problem in a blood vessel and a blood clot with heterogeneous permeability. They have also carried out parallelization at the visualization of the hydrodynamic characteristics of the flows. The software package with the implemented numerical and algorithmical models enables computational experiments with simultaneous visualization of their re-sults. There is the analysis of the influence of the shape and the structure of a clot formed at the blood vessel wall on the main hydrodynamic characteristics determining the probability of a clot breakage from the wall. It is shown that the most dangerous are the blood clots which boundary forms an acute angle with the vessel wall. This is caused by to two factors: the occurrence of the rotary moment of the forces tending to the break of the blood clot front edge down the vessel wall, as well as by the action of a local pressure gradient at the clot base, which significantly exceeds the pressure gradient in the vessel outside the blood clot. At the same time, the clot permeability affects the total pressure drop and the maximal pressure gradient magnitude, but it practically does not change the direction of the fluid flow in the blood vessel.
Ключевые слова: закупоривающий кольцевой тромб, система кровообращения, параллельные вычисления, численные алгоритмы, фильтрационная модельKeywords: occluding circular clot, circulatory system, parallel computing, numerical algorithms, filtration model
Просмотров: 4363
7. Удаленное управление роботизированным устройством с использованием технологий виртуальной реальности [№3 за 2022 год]
Авторы: Кугуракова В.В. (vlada.kugurakova@gmail.com) - Казанский (Приволжский) федеральный университет (доцент), кандидат технических наук; Хафизов М.Р. (mrimsh@mrimsh.ru) - Казанский (Приволжский) федеральный университет (ст. преподаватель, младший научный сотрудник); Кадыров С.А. (kadyrovsamat16@gmail.com) - Казанский (Приволжский) федеральный университет (студент); Зыков Е.Ю. (Evgeniy.Zykov@kpfu.ru) - Казанский (Приволжский) федеральный университет (доцент), кандидат физико-математических наук;
Аннотация: Предметом исследования является возможность телеуправления роботизированным устройством с использованием технологии виртуальной реальности (VR). Данная концепция разрабатывается с целями создания более нативного способа удаленного управления устройством, а также более удобной передачи изображения для оператора, что особенно актуально в экстремальных ситуаци-ях. Дан анализ технологий интеллектуальных систем управления и рассмотрены примеры реализации использования технологий виртуальной реальности в телеробототехнике, благодаря чему выделены общая структура системы удаленного управления и основные проблемы, стоящие в рамках реализации настоящего проекта. На основе проведенного анализа разработана и реализована универсальная программно-аппаратная платформа телеуправления на платформе Unity. Представлена архитектура приложения и рассмотрены требования, изначально предъявляемые к нему, с целью обойти ограничения беспроводного канала связи в задаче управления роботом в реальном времени при помощи VR-гарнитур. Реализована система управления выбором направления перемещения роботизированной единицы с использованием при этом одного из VR-контроллеров. Подробно рассмотрены реализованные алгоритмы получения качественного стереоскопического зрения в устройствах виртуальной реальности и методика синхронизация удаленного поворота стереопары, а также описана система передачи команд. Проведены эксперименты по использованию реализованной системы для проверки соответствия ее необходимым требованиям с целью получения надлежащего качества. Измерено время отклика системы и произведена минимизация задержек в канале связи. Разработанное программное обеспечение для телеуправления роботизированной единицей при помощи гарнитуры виртуальной реальности обеспечивает возможность устойчивого теле-управления удаленной роботизированной техникой.
Abstract: The subject of this paper is the possibility of remote control of a robotic device using the virtual reality technology. This concept is being developed in order to create a more native way to control a device remotely, as well as a more convenient image transmission for an operator, which is especially relevant in extreme situations.
The paper presents the analysis of intelligent control system technologies and the examples of im-plementing virtual reality technologies in tele-robotics. This helped to highlight the overall structure of the remote control system and to show the main implementation problems of this project. This analysis has become a base for development and implementation of a universal hardware and software telecon-trol platform on the Unity platform.
The paper presents the application architecture and considers the requirements initially imposed on it in order to bypass the wireless channel limitations in the task of the real-time robot control using VR headsets. There is an implemented control system for selecting the direction of moving a robotic unit using one of the VR controllers. The paper considers implemented algorithms for obtaining high-quality stereoscopic vision in virtual reality devices, as well as the technique for synchronizing the re-mote rotation of a stereo pair. Moreover, there is a description of a command transmission system.
The experiments of the implemented system were conducted in order to verify if it meets the neces-sary requirements to obtain the proper quality. The authors have measured the response time of the system and minimized the delay in the communication channel.
The developed software for robotic unit telecontrol using a virtual reality headset provides the pos-sibility of stable telecontrol of remote robotic equipment.
Ключевые слова: виртуальная реальность, телеуправление, робототехника, киберболезньKeywords: virtual reality, telecontrol, robotics, cybersickness
Просмотров: 5435
8. Применение технологии CUDA для обучения нейронной сети Кохонена [№3 за 2022 год]
Авторы: Латыпова Д.С. (dina.latypova23@gmail.com) - Казанский (Приволжский) федеральный университет, Институт вычислительной математики и информационных технологий (аспирант); Тумаков Д.Н. (dtumakov@kpfu.ru) - Казанский (Приволжский) федеральный университет, Институт вычислительной математики и информационных технологий (доцент), кандидат физико-математических наук;
Аннотация: Проведена кластеризация данных, содержащихся в обучающих выборках – базах данных MNIST и Fashion MNIST. Для кластеризации использована нейронная сеть Кохонена с евклидовой метрикой при оценке расстояний. Для каждой рукописной цифры (MNIST) и каждого типа предметов обихода (Fashion MNIST) определено оптимальное количество кластеров (не более 50). Обучение нейронной сети распараллелено на графическом устройстве NVidia с использованием технологии CUDA. Для каждой цифры приведены результаты, иллюстрирующие сравнение времен работы процессора и графического процессора. Как для цифр, так и для типов предметов обихода сделан вывод о 17-кратном ускорении параллельных вычислений над последовательными на игровом ноутбуке начального уровня. Тестовые выборки из тех же баз данных использованы для проверки правильности построения кластеров. Как для последовательного, так и для параллельного обучения сделан вывод о том, что векторы из тестовой выборки принадлежат правильному кластеру с вероятностью более 90 % в случае рукописных цифр. Кроме того, для каждой цифры и каждого типа предметов обихода вычислены F-меры для оценки попадания объектов в свои кластеры. Показано, что последовательная и параллельная кластеризации дают близкие результаты. Наилучшие значения F-меры получены для цифр 0 и 1 (F-среднее значение равно 0,974), в то время как худшее значение (0,903) получено для цифры 9. Для данных Fashion MNIST лучшее значение F-меры (0,96) получено для типа «Брюки», а худшее (0,34) – для типа «Рубашка». Несмотря на большие разбросы для значений F-метрик двух рассмотренных баз данных, отличия результатов кластеризации минимальны. Так, для MNIST максимальное отличие F-меры составляет поряд-ка 0,01, а для Fashion MNIST – около 0,04.
Abstract: The paper presents clustering of the data from in the training samples of the MNIST and Fashion MNIST databases. For clustering, the authors use a Kohonen neural network with a Euclidean metric for estimating distances. The optimal number of clusters (no more than 50) is determined for each handwritten digit (MNIST) and type of clothing (Fashion MNIST).
Neural network training is parallelized on a NVidia graphics device using CUDA technology. There are the results for each digit illustrating the comparison of the processor and GPU operating time. For both the digits and clothing types, there is a conclusion about a 17-fold acceleration on an entry-level gaming laptop. Test samples of the same databases are used to verify the cluster construction correct-ness. For both sequential and parallel learning, it is concluded that the vectors from the test sample be-long to the correct cluster with a probability of more than 90 % in the case of handwritten digits. In ad-dition, there are calculated F-measures for each digit and type of clothing to evaluate clusters.
It is shown that sequential and parallel clustering give similar results. The best values of the F-measure are obtained for the digits 0 and 1 (F-mean is 0.974), while the worst value is obtained for the digit 9 (F-mean is 0.903). For the Fashion MNIST data, the best value for the F-measure was obtained for trousers (F-average value is 0.96), and the worst value was for a shirt (F-average value is 0.34). De-spite the large variations for the F-metric values of the considered two databases, the differences in the clustering results are minimal. Thus, the maximum difference of the F-measure is about 0.01 for the MNIST and about 0.04 for the Fashion MNIST.
Ключевые слова: mnist, cuda, распараллеливание, кластеризация, нейронная сеть кохоненаKeywords: mnist, cuda, parallelization, clusterization, kohonen neural network
Просмотров: 5597
9. Методика упрощения таск-трекинга в проектах игровой индустрии [№3 за 2022 год]
Авторы: Шараева Р.А. (r.sharaeva3496@gmail.com) - Казанский (Приволжский) федеральный университет, Лаборатория разработки интеллектуальных инструментов компьютерных игр, Институт информационных технологий и интеллектуальных систем (младший научный сотрудник); Кугуракова В.В. (vlada.kugurakova@gmail.com) - Казанский (Приволжский) федеральный университет (доцент), кандидат технических наук; Селезнева Н.Э. (nataliseleznewa306@gmail.com) - Казанский (Приволжский) федеральный университет, Лаборатория разработки интеллектуальных инструментов компьютерных игр, Институт информационных технологий и интеллектуальных систем (аспирант);
Аннотация: Разработка компьютерных игр отличается от традиционной разработки проектов в сфере информационных технологий, главным образом, высокой степенью креативности процессов, что необходимо учитывать при применении методов программной инженерии. Темой настоящего исследования стали изучение особенностей автоматизации процессов управления проектами, а также разработка инструмента для управления задачами (таск-трекинг), воплощающего методики и рекомендации, сформированные для игровой индустрии. Для качественных формулировки цели и постановки задач проанализированы актуальные научные источники, в результате выделен ряд функций, необходимых для командных таск-трекеров: присвоение сотруднику роли или задачи, создание зависимых задач, диаграмма Ганта, доступ сотрудника к информации о связанных задачах, распространение ссылок и документов, создание повторно используемых шаблонов. По результатам проведенного исследования представлена методика, которая упрощает работу менеджера проекта с точки зрения ведения задач. Разработанный подход предполагает создание следующих возможностей: автоматическое распределение задач исполнителям (в соответствии с направлением их деятельности), автоматическое создание дубликатов и настройка зависимости задач, автоматическая передача артефактов зависимым задачам, генерация шаблона проекта по брифу – опросному листу с ключевыми аспектами проекта. На примере управления процессом разработки приложениями с дополненной реальностью было показано, что полученные результаты актуальны для разработки интерактивных, геймифицированных проектов. Для проверки эффективности этих результатов сформированные практические приемы были интегрированы в систему с открытым исходным кодом (LeanTime). Предложенный подход показал сокращение времени решения управленческих задач более, чем на 20 %, а в случае потребности в множестве новых шаблонов сокращение может превысить 40 %. Созданный веб-инструмент можно использовать в качестве инструмента автоматизации процессов разработки в любых узкоспециализированных ИТ-направлениях.
Abstract: Computer game development differs from “traditional” IT project development mainly due to the high degree of process creativity, which should be taken into account when applying software engineering methods.
The research topic is studying the specifics of project management process automation and devel-oping a tool embodying the methods and recommendations formed for the game industry. The authors have analyzed topical scientific sources to set the goal and objectives correctly. As a result, they have highlighted a number of functions necessary for team task trackers that are: assigning a role or a task to an employee, creating dependent tasks, Gantt chart, giving access to information about related tasks to an employee, distributing links and documents, creating reusable templates.
Based on the extensive research results, the paper presents a methodology that simplifies the work of the project manager in terms of task management. The approach includes creation of the following features: executors automatically receive tasks according to their field of concern; automatic creation of duplicates and configuration of task dependencies; automatic transfer of artifacts to dependent tasks; generating a project template according to a brief. The work is interesting for the field of interac-tive project development with a prevailing game-dev component.
In order to check the result effectiveness, the generated practical approaches were integrated into the LeanTime system. The proposed approach has shown the reduction of time for management tasks by more than 20%; in case of need for many new templates the reduction can even exceed 40%. The designed web-tool can then be integrated as an automation tool not only in the development processes of gamedev projects, but in general for any highly specialized IT development areas.
Ключевые слова: автоматизация, таск-трекер, игровая разработка, ит-разработка, программная инженерияKeywords: automation, task tracker, gamedev, it development, software engineering
Просмотров: 5064
10. Прогнозирование на основе искусственной нейронной сети второго поколения для поддержки принятия решений в особо значимых ситуациях [№3 за 2022 год]
Авторы: Пальчевский Е.В. (teelxp@inbox.ru) - Финансовый университет при Правительстве Российской Федерации (преподаватель); Антонов В.В. (antonov.v@bashkortostan.ru) - Уфимский государственный авиационный технический университет, факультет ИРТ (профессор), доктор технических наук; Еникеев Р.Р. (enikeevRR@mail.ru) - Уфимский государственный авиационный технический университет, факультет ИРТ (доцент), кандидат технических наук;
Аннотация: Специализированные модели систем, реализованные на основе поддержки принятия решений с помощью искусственного интеллекта для воспроизведения, прогнозирования и предотвращения последствий исключительных ситуаций, становятся все более популярными. Под такие ситуации и состояния подпадают и паводки. Исходя из этого появляется задача прогнозирования исключительной ситуации на примере подъема уровней воды на стационарных гидрологических постах. Для решения данной проблемы предложена система поддержки принятия решений для прогнозирования уровней подъема воды, основанная на нейросетевом анализе ретроспективных дан-ных с целью расчета значений уровней воды на пять дней вперед. За основу самой искусственной нейронной сети берется свободно распространяемая библиотека программ машинного обучения TensorFlow. В качестве обучения применен измененный метод обратного распространения ошибки. Основным отличием метода является добавление коэффициента повышения скорости обучения искусственной нейронной сети. Был проведен анализ эффективности предлагаемого решения в рамках прогнозирования паводковой ситуации. Он показал высокую точность при расчетах прогнозных значений уровней воды: разница между реальными и спрогнозированными значениями составила 2,10 %. Это позволит специализированным службам заблаговременно осуществлять противопаводковые мероприятия. Таким образом, информационное сопровождение во время особых ситуаций – это абсолютный показатель качества данных, позволяющий вырабатывать и принимать решения в рамках прогнозирования возможных критических ситуаций и недопущения перевода состояния системы управления территорией в критическое.
Abstract: Nowadays, specialized system models implemented on the basis of decision support in exceptional (emergency) situations (states) using machine learning, artificial intelligence (including using neural networks) to reproduce, predict and prevent (or minimize risk) consequences) in exceptional situations are useful and becoming increasingly popular. Floods also fall under such exceptional situations and states. Therefore, there arises the problem of early forecasting of an exceptional situation using the ex-ample of rising water levels at stationary hydrological posts in order to prevent (or minimize the risk) the transition of the system under consideration into an exceptional state (emergency situation).
To solve this problem, the authors propose a decision support system for early forecasting water rise levels. It is based on a neural network (intelligent) analysis of retrospective data (code of a station-ary hydrological station / automatic station, date, water level at a stationary hydrological station / au-tomatic station, atmospheric pressure, wind speed, snow cover thickness, amount of precipitation, time and air temperature) in order to calculate the values of water levels for 5 days in advance. The artificial neural network itself is based on the freely distributed TensorFlow machine learning software library; a modified backpropagation method is used as training. Its main difference is the addition of an artificial neural network (ANN) learning rate increase factor.
An analysis of the effectiveness of the proposed solution in the framework of forecasting the flood situation has shown high accuracy in calculating the forecast values of water levels: the difference be-tween the real and predicted values is 2.10 %. This will allow specialized services to carry out special-ized anti-flood measures in advance (5 days in advance).
Thus, information support during special situations is an absolute (not relative) indicator of data quality that allows developing and making decisions in the framework of predicting possible critical situations and preventing the transfer of the state of the territory management system to critical situa-tions.
Ключевые слова: прогнозирование, интеллектуальный анализ данных, нейросетевой анализ, ретроспективные данные, прогнозирование уровней водыKeywords: forecasting, data intelligent analysis, neural network analysis, retrospective data, forecasting water levels
Просмотров: 4651
| 1 | 2 | 3 | Следующая → ►
