Seite 1

Kognitive Computergrafik aktiviert das figurative, intuitive Denken einer Person und trägt dadurch zur Entstehung neuer Ideen und Hypothesen bei, stimuliert die Entstehung neuen Wissens. In einigen Fällen erweitert und verfeinert es die gestellten Aufgaben und trägt zur Identifizierung der zu lösenden Aufgaben und der zu entwerfenden Systeme bei. Berücksichtigt werden die Anforderungen an die erstellten Systeme und Subsysteme der kognitiven Computergrafik, die Fragestellungen ihrer Erstellung, der Nutzung in intelligenten Systemen und der Interaktion mit der natürlichen menschlichen Intelligenz. Die Entwicklung von Systemen mit Computergrafik und deren zunehmender Einsatz in der wissenschaftlichen Forschung ging später in Richtung der kognitiven Computergrafik über. Systeme mit kognitiven Computergrafik ermöglichen es Forschern, tiefe Muster zu erkennen und das Design Thinking von Entwicklungsingenieuren erheblich zu verbessern. Ein dringendes Problem bei der Entwicklung einer grafischen Schnittstelle, die die Kommunikation zwischen einem Menschen und einem Computer qualitativ verbessert, ist die Intellektualisierung einer solchen Schnittstelle auf der Grundlage neuer kognitiver Methoden. Betrachtet werden verschiedene mögliche problematische Anwendungsgebiete von Systemen und Schnittstellen mit kognitiver Computergrafik sowie eine Reihe spezifischer Systeme und Subsysteme, die mit Funktionen der kognitiven Computergrafik ausgestattet sind. Angesprochen werden Fragen der praktischen Umsetzung intelligenter Werkzeuge zum Entwurf von Systemen mit kognitiver Computergrafik. Beispiele für solche Tools werden gegeben.

Kognitive Computergrafik, die grafische Bilder der Strukturen und Eigenschaften abstrakter Objekte erzeugt, aktiviert das figurative, intuitive (rechtshemisphärische) Denken einer Person und aktiviert somit als Ergebnis der Arbeit des Gehirns die linke Hemisphäre, abstraktes Denken und trägt so zur Entstehung neuer Ideen und Hypothesen bei, stimuliert die Entstehung neuen Wissens. In einigen Fällen erweitert und verfeinert es die gestellten Aufgaben und trägt zur Identifizierung der zu lösenden Aufgaben und der zu entwerfenden Systeme bei. Praktisch kein symbolisches, verbales Wissen der linken Hemisphäre über ein Objekt (Phänomen, Situation) ist in der Lage, eine so extrem klare und klare Wahrnehmung und Vorstellung von diesem Objekt (Phänomen, Situation) zu liefern, wie es die visuelle Wahrnehmung und das Denken der rechten Hemisphäre geben können.

Kognitive Computergraphik trägt in vielen Fällen zur Klärung, Identifizierung der zu lösenden Aufgaben und der zu entwerfenden komplexen Systeme bei.

Zunehmend werden Schnittstellen mit kognitiver Computergrafik in Lernprozessen und in Wissenssteuerungsprozessen eingesetzt. Gleichzeitig basiert die Wirksamkeit der Anwendung einer solchen Technologie zur Beeinflussung des menschlichen Geistes auf einer Vielzahl von Ansätzen zur Präsentation von Informationen und der Verwendung verschiedener Formen der Informationspräsentation und wird durch die Einbeziehung in das Lernen und vorbestimmt Steuerungsprozesse verschiedene Körper menschliche Wahrnehmung von Informationen. Der in [9] beschriebene Kosmonauten-Trainingskomplex verwendet grafische Werkzeuge, um 3D-Modelle und 3D-Welten zu erstellen. Diese Tools ermöglichen ein effektives Training und eine effektive Kontrolle des Wissens der Schüler, da sie im Wesentlichen Mittel der kognitiven Computergrafik sind.

Zenkin, 1991] Zenkin A.A. Kognitive Computergrafik.

Um Systeme zu entwerfen, die kognitive Computergrafik verwenden, sind intelligente Werkzeuge erforderlich, die die wichtigsten Grundfunktionen implementieren. Ein Toolkit ist wünschenswert, das es ermöglicht, Systeme zu bauen, die für verschiedene Bereiche ihrer Anwendung invariant sind und eine ausreichende Mobilität hinsichtlich ihrer Verwendung in verschiedenen vielversprechenden Betriebs- und Rechenumgebungen aufweisen. Eine solche Werkzeugbibliothek sollte dreidimensionale Grafikobjekte mit Schwerpunkt auf modernen Softwareumgebungen erstellen und anzeigen, beliebige Informationen an Grafikobjekte binden, die Möglichkeit bieten, während der Arbeit mit anderen angesammeltes Grafikmaterial zu verwenden grafische Systeme, sowie eine Reihe von erforderlichen Servicefunktionen bereitzustellen. Eine solche Bibliothek ist sehr vielversprechend für die Verwendung in verschiedenen neuen Technologien intelligenter Schnittstellen mit kognitiver Computergrafik.

Die Entwicklung von Systemen mit Computergrafik und deren zunehmender Einsatz in der wissenschaftlichen Forschung und Lehre hat sich weiter in Richtung der kognitiven Computergrafik gewandelt, wovon in diesem Beitrag eine gewisse Illustration gegeben wird. Kognitive Computergrafiksysteme ermöglichen es Forschern, tiefe Muster zu erkennen und das Design-Denken von Entwicklungsingenieuren erheblich zu verbessern. Ein dringendes Problem bei der Entwicklung einer grafischen Schnittstelle, die die Kommunikation zwischen einem Menschen und einem Computer qualitativ verbessert, ist die Intellektualisierung einer solchen Schnittstelle auf der Grundlage neuer kognitiver Methoden.

Die grafische Oberfläche visualisiert nicht nur Bilder eines bestimmten Themenbereichs, sondern füllt auch grafische Bilder mit einem bestimmten Inhalt einer neuen Qualität, insbesondere eine Schnittstelle, die kognitive Computergrafik verwendet. So drängendes Problem GUI ist seine Intellektualisierung auf der Grundlage neuer kognitiver Methoden - um die Effizienz menschlicher Entscheidungsfindung zu verbessern. Kognitive Computergrafik, Schnittstellen, die auf der Grundlage kognitiver Grafiken implementiert sind, sind in erforderlich verschiedene Systeme basierend auf Wissen. Sie werden benötigt bei der Lösung von Problemen im Zusammenhang mit Graphen, bei der dreidimensionalen Darstellung des Geländes und komplexer technischer Produkte und Strukturen, des menschlichen Körpers, bei der Konstruktion von Oberflächen aller Art. Schnittstellen mit kognitiver Computergrafik können in verschiedenen Problembereichen eingesetzt werden: Medizin, Statistik, Bauwesen, Architektur, Mathematik, Physik, Mikroelektronik usw. Diese Schnittstellen können für verschiedene kognitive Zwecke effektiv eingesetzt werden.

So tragen moderne Systeme mit kognitiver Computergrafik in der Regel erstens zur Generierung von grundlegend neuem Wissen im untersuchten Fachgebiet bei, das ohne kognitive Computergrafik dem natürlichen menschlichen Intellekt möglicherweise nicht zugänglich ist.

Moderne Systeme mit kognitiver Computergrafik intellektualisieren also Informationstechnologien, sie tragen in der Regel zur Generierung grundlegend neuen Wissens im untersuchten Fachgebiet bei und sind manchmal für den natürlichen Intellekt einer Person ohne kognitive Computergrafik einfach unzugänglich. Systeme mit kognitiver Computergrafik können in Zukunft als einzigartiges Werkzeug dienen, um die Muster und Prozesse des figurativen, intuitiven menschlichen Denkens zu untersuchen, um die Funktionsgesetze der rechten Hemisphäre zu identifizieren menschliches Gehirn und seine Interaktion mit der linken Hemisphäre, die rational-logisches Denken ermöglicht.

Wenn in einem intelligenten System mit einer Wissensbasis, die beispielsweise auf einen bestimmten Forschungs- und Entwicklungsbereich ausgerichtet ist, ein Computergrafik-Subsystem verwendet wird, bei dem der Schlüsselpunkt die Kommunikation des Benutzers mit ist visuelle Bilder Objekte des untersuchten Fachgebiets und Beziehungen zwischen ihnen, dann ist ein solches grafisches Teilsystem im Wesentlichen ein Teilsystem der kognitiven Computergrafik.

Es lässt sich sagen, dass sich die Entstehung und Entwicklung von Systemen mit Computergrafik und deren zunehmende Verbreitung in der wissenschaftlichen Forschung später in Richtung der kognitiven Computergrafik gewandelt hat. Systeme mit kognitiver Computergrafik ermöglichen beispielsweise Mathematikern, tiefe zahlentheoretische Muster zu sehen und zu verstehen. Für Forschungsingenieure und Entwickler komplexer technischer Projekte verwandeln diese Systeme konzipierte und entworfene Produkte und Objekte in eine sichtbare Realität, sodass Sie eine Reihe technischer und physikalischer Feinheiten der entworfenen Teile und Komponenten eines Objekts sogar an einem geometrischen Modell sorgfältig untersuchen können . neue Technologie, und verbessert dadurch den Designgedanken des Designers erheblich. Diese Systeme ermöglichen eine Erweiterung und Verdeutlichung der gestellten Aufgaben und tragen zur Identifikation geschaffener Objekte, Produkte und Systeme bei.

Szenenanalyse

Bildverarbeitung und -analyse

Bildliche Computergrafik

Richtungen der Computergrafik

Im heutigen etablierten Stand ist es üblich, die Computergrafik in folgende Bereiche zu unterteilen:

• visuelle Computergrafik,
• Bildverarbeitung und -analyse,
• Szenenanalyse (wahrnehmungsbezogene Computergrafik),
• Computergrafik für wissenschaftliche Abstraktionen (kognitive Computergrafik - Grafiken, die zur Kognition beitragen).

Objekte: synthetisierte Bilder.

• Erstellen eines Objektmodells und Generieren eines Bildes,
• Modell- und Bildtransformation,
• Identifizierung des Objekts und Beschaffung der erforderlichen Informationen.

Objekte: Diskrete, numerische Repräsentation von Fotografien.

• Verbesserung der Bildqualität,
• Bildauswertung - Bestimmung der Form, Lage, Größe und anderer Parameter der benötigten Objekte,
• Bilderkennung - Auswahl und Klassifizierung von Objekteigenschaften (Verarbeitung von Luft- und Raumfahrtbildern, Eingabe von Zeichnungen, Navigations-, Erkennungs- und Leitsysteme).

Die Bildverarbeitung und -analyse basiert also auf Bilddarstellungs-, Verarbeitungs- und Analysemethoden und natürlich auf visueller Computergrafik, um die Ergebnisse zumindest darzustellen.

Thema: Erforschung abstrakter Modelle grafischer Objekte und Beziehungen zwischen ihnen. Objekte können entweder synthetisiert oder in Fotografien hervorgehoben werden.

Der erste Schritt bei der Szenenanalyse ist das Hervorheben Charakteristische Eigenschaften, die das/die grafische(n) Objekt(e) bilden.

Beispiele: maschinelles Sehen (Roboter), Analyse von Röntgenbildern mit Isolierung und Verfolgung eines interessierenden Objekts, z. B. eines Herzens.

Die Szenenanalyse (wahrnehmungsbezogene Computergrafik) basiert also auf visueller Grafik + Bildanalyse + spezialisierten Tools.

Nur eine sich abzeichnende neue Richtung, noch nicht klar definiert.

Dies ist Computergrafik für wissenschaftliche Abstraktionen, die zur Geburt neuer wissenschaftlicher Erkenntnisse beiträgt. Basis - leistungsstarke Computer und leistungsstarke Visualisierungstools.

Die allgemeine Erkenntnisfolge besteht aus einem möglicherweise zyklischen Fortschreiten von einer Hypothese zu einem Modell (Objekt, Phänomen) und einer Entscheidung, deren Ergebnis Erkenntnis ist. Das Modell der allgemeinen Wissensfolge ist in Abbildung 2.1 dargestellt.

Abbildung 2.1 - Der Ablauf des Erkenntnisprozesses

Die menschliche Kognition nutzt zwei Hauptmechanismen des Denkens, die jeweils einer Hälfte des Gehirns zugeordnet sind:

• bewusst, logisch-verbal, manipuliert abstrakte Folgen von Symbolen (Objekten) + Semantik von Symbolen + mit Symbolen verbundene pragmatische Repräsentationen. Das Alter dieses mit dem Vorhandensein von Sprache verbundenen Mechanismus beträgt bis zu 100.000 Jahre:
• unbewusst, intuitiv, figurativ, arbeitet mit sinnlichen Bildern und Vorstellungen darüber. Das Alter dieses Mechanismus ist die Zeit der Existenz der Tierwelt auf der Erde.

Anfänglich hatten Computer eine geringe Leistung von Prozessoren und Computergrafikwerkzeugen, d.h. Tatsächlich hatten sie die Möglichkeit, nur mit Symbolen zu arbeiten (ein vereinfachtes Analogon des logischen Denkens).

Mit dem Aufkommen von Supercomputern mit einer Kapazität von einer Milliarde oder mehr Operationen pro Sekunde und grafischen Superstationen mit einer Kapazität von bis zu hundert Millionen Operationen pro Sekunde wurde es möglich, Bilder (Bilder) ziemlich effektiv zu manipulieren.

Es ist wichtig anzumerken, dass das Gehirn nicht nur weiß, wie man mit zwei Arten der Informationsdarstellung arbeitet, und dass es anders und effizienter mit Bildern arbeitet als ein Computer, sondern auch weiß, wie man diese beiden Arten korreliert und (in gewisser Weise) Übergänge von einer Darstellung zur anderen.

Das Hauptproblem und die Aufgabe der kognitiven Computergrafik ist dabei die Schaffung solcher Wissensrepräsentationsmodelle, in denen sowohl für logisches (symbolisches, algebraisches) Denken charakteristische als auch für figuratives Denken charakteristische Objekte einheitlich dargestellt werden könnten.

Sonstiges kritische Aufgaben:

• Visualisierung jenes Wissens, für das es (noch?) keine symbolischen Beschreibungen gibt,
• Suche nach Wegen, um vom Bild zur Formulierung einer Hypothese über die Mechanismen und Prozesse zu gelangen, die durch diese (dynamischen) Bilder auf dem Bildschirm dargestellt werden.

Das Aufkommen der kognitiven Computergrafik ist ein Signal für den Übergang von der Ära der umfassenden Entwicklung der natürlichen Intelligenz zur Ära der intensiven Entwicklung, die durch eine tiefgreifende Computerisierung gekennzeichnet ist und die Mensch-Maschine-Technologie der Kognition hervorgebracht hat, von der ein wichtiger Punkt ist eine direkte, zielgerichtete, aktivierende Wirkung auf die unbewussten intuitiven Mechanismen des figurativen Denkens.

Eines der hellsten und frühesten Beispiele für die Anwendung der kognitiven Computergrafik ist die Arbeit von C. Strauss "Unerwartete Verwendung von Computern in der reinen Mathematik" (TIEER, Bd. 62, N 4, 1974, S. 96 - 99). Es zeigt, wie ein "n-dimensionales" Board auf der Basis eines grafischen Terminals verwendet wird, um komplexe algebraische Kurven zu analysieren. Unter Verwendung von Eingabegeräten kann ein Mathematiker leicht erhalten geometrische Bilder die Ergebnisse einer gezielten Änderung der Parameter der untersuchten Abhängigkeit. Er kann auch die aktuellen Werte der Parameter leicht verwalten und „vertieft dadurch sein Verständnis für die Rolle von Variationen in diesen Parametern“. Als Ergebnis wurden „mehrere neue Theoreme und Richtungen erhalten weitere Forschung».

Schon heute können wir mit aller Gewissheit feststellen, dass vor unseren Augen eine grundlegend neue Mensch-Maschine-Realität entsteht, die die Voraussetzungen für eine intensive Erkenntnistechnik schafft. Wir sprechen über neue Richtungen im Bereich der Mensch-Maschine-Interaktion und der künstlichen Intelligenz - Systeme der kognitiven Grafik und der virtuellen Realität.

Psychologen haben diese Verbindung bewiesen mentale Kapazität eine Person mit nur dem höchsten verbal-logischen Niveau mentale Reflexion Realität ist illegal. Diese Reflexion umfasst auch die sinnlich-perzeptiven und figurativen Ebenen und die ihnen entsprechenden Fähigkeiten, die sich in den Prozessen der Empfindung, Wahrnehmung, des figurativen Gedächtnisses und der Vorstellungskraft manifestieren, so dass es notwendig ist, Mittel für die Entwicklung solcher Fähigkeiten zu schaffen. Bis heute ist der Entwicklungsstand von Rechenanlagen so hoch, dass es möglich wurde, mit der Entwicklung von Werkzeugen für den Bau von Systemen zu beginnen, die nicht nur auf der symbolisch-logischen, sondern auch auf der sinnlich-perzeptiven und figurativen Ebene arbeiten. Und die führende Rolle gehört hier den angedeuteten zwei neuen Richtungen in der Entwicklung der modernen Computational Science.

Der Begriff kognitive Grafik wurde erstmals von dem russischen Wissenschaftler A. A. Zenkin in seiner Arbeit über die Untersuchung der Eigenschaften verschiedener Konzepte aus der Zahlentheorie betrachtet. Mit visuellen Bildern abstrakter numerischer Konzepte erzielte er Ergebnisse, die zuvor nicht zu erreichen waren. Die Richtung der Arbeit an kognitiven Grafiken entwickelt sich schnell, und jetzt gibt es viele ähnliche Systeme in verschiedenen Fachgebieten: in der Medizin, um die Entscheidungsfindung bei der Verwaltung von Komplexen zu unterstützen technologische Systeme, in Systemen basierend auf Natürliche Sprache.

Zwei Funktionen kognitiver Grafiksysteme sollten beachtet werden: illustrativ und kognitiv. Bietet die erste Funktion rein anschauliche Möglichkeiten, wie die Konstruktion von Diagrammen, Histogrammen, Graphen, Plänen und Diagrammen, verschiedene Bilder, die funktionale Abhängigkeiten widerspiegeln, so erlaubt die zweite einem Menschen, seine ihm innewohnende Fähigkeit, in komplexen räumlichen Bildern zu denken, aktiv zu nutzen.

Der Begriff „virtuelle Realität“ wurde vom ehemaligen Computerhacker Jaron Lenier geprägt, der 1984 die HP Research Corp. gründete. in Foster, Kalifornien. Dies ist das erste Unternehmen, das VR-Systeme entwickelt. Seit Anfang der 90er Jahre wurden Konferenzen über Werkzeuge zur Modellierung virtueller Realität und die Konstruktion von Systemen abgehalten, die es einer Person ermöglichen, in einer Umgebung zu agieren, die sich qualitativ von den Bedingungen der Realität, in der sie lebt, unterscheiden kann.

Es gibt zwei Eigenschaften, die es ermöglichen, ein Programm, das eine „virtuelle Welt“ (VR-System) erstellt, davon zu unterscheiden traditionelle Systeme Computergrafik.

1. Neben der einfachen Übertragung visueller Informationen wirken diese Programme gleichzeitig auf mehrere andere Sinne, einschließlich des Gehörs und sogar des Tastsinns.

2. VR-Systeme interagieren mit Menschen, und bei den fortschrittlichsten von ihnen kann der Benutzer beispielsweise ein Objekt berühren, das nur im Speicher des Computers existiert, indem er einen mit Sensoren vollgestopften Handschuh anzieht. Bei einer Reihe von Systemen können Sie einen Joystick oder eine Maus verwenden - dann können Sie etwas mit dem auf dem Bildschirm angezeigten Objekt tun (z. B. umdrehen, verschieben oder von hinten betrachten).

Die Entwicklung von Systemen, die auf dem Modell der virtuellen Realität basieren, zwingt uns dazu, eine Reihe von Problemen zu lösen, die typisch für Multimediatechnologien und kognitive Grafiktechnologien sind. Dieser Aufsatz betrachtet die Probleme, die mit der Entwicklung grafischer Werkzeuge zur Erzeugung figurativer Darstellungen dynamischer Szenen verbunden sind, die verschiedene Realitäten, einschließlich imaginärer, darstellen.

Betrachten wir das Problem der Konstruktion eines Virtual-Reality-Systems zum Lehren der physikalischen Gesetze der Statik, Kinematik und Dynamik auf der Grundlage des Paradigmas der "imaginären Welt". Wir betrachten die folgende dynamische Welt: einen dreidimensionalen geschlossenen Raum, eine Reihe von Objekten darin, einen Akteur in diesem Raum (er ist auch ein Lernender, nennen wir ihn Akteur). Die Aufgabe des Schauspielers besteht darin, die Gesetze zu verstehen, die der Welt innewohnen, in der er sich befindet und handelt, indem er einige physische Aktionen mit Objekten in Zeit und Raum ausführt.

Lassen Sie uns die wichtigsten Arten von Konzepten hervorheben, denen der Akteur begegnen wird. Dies sind Objekte, Beziehungen, Bewegungen und körperliche Handlungen. Stellen wir uns die Aufgabe, eine imaginäre Welt zu konstruieren, die diese Kategorien widerspiegelt; Gleichzeitig werden die Zustände einer solchen imaginären Realität in Form von Texten in gewöhnlicher natürlicher Sprache beschrieben. Ein wichtiges Modul eines solchen VR-Systems ist ein Subsystem, das aus dem Text ein sich dynamisch änderndes grafisches Bild aufbaut. Zur Lösung dieses Problems wird das von den Autoren entwickelte TEKRIS-System verwendet. Die Folgenden sind allgemeine Beschreibung TEKRIS-Systeme und grafische Tools zum Erstellen solcher Systeme.

Strukturdiagramm des TEKRIS-Systems

Das TEKRIS-System ist eine Reihe von Softwaretools, die es ermöglichen, ein sich dynamisch änderndes grafisches Bild der beschriebenen Situation unter Verwendung von Text in natürlicher Sprache zu erstellen. Als Beschränkungen für die anfängliche Beschreibung sollte Folgendes beachtet werden: 1) Die Beschreibung der anfänglichen statischen Szene muss im Text vorhanden sein; 2) Alle nachfolgenden Änderungen in der Szene sind das Ergebnis von Aktionen, die von einem Subjekt (Mensch, Roboter) ausgeführt werden. Ein typisches Beispiel Eine solche Beschreibung könnte wie folgt lauten:

Es gibt einen Tisch im Zimmer. Auf dem Tisch steht eine Lampe. Neben dem Tisch steht ein Stuhl. Hinter dem Tisch, nicht weit links, steht ein Bücherregal. Rechts neben dem Stuhl steht ein Sofa. Ivan steht neben dem Schrank. Ivan ging zum Tisch. Ich habe die Lampe genommen. Ich habe es auf den Schrank gestellt.

Das Blockdiagramm des Systems ist in Abbildung 1 dargestellt. In diesem Diagramm sind die Softwarekomponenten in Form von Rechtecken dargestellt, und die Quell- und Zwischendateien haben die Form von Ovalen.

Die Beschreibung der dynamischen Situation in natürlicher Sprache wird dem linguistischen Prozessor zugeführt. Unter Verwendung des Vokabulars der Themenwelt wandelt es den Text in eine interne Rahmendarstellung um, die dann dem Solver und dem Scheduler zugeführt wird.

Der Löser, der einen Block qualitativer physikalischer Argumentation verwendet und logischer Block, baut eine Beschreibung des Verlaufs der Situationsentwicklung in Form einer zeitlichen Sequenz von Szenen auf, die die durch den Text gegebene Dynamik der Situationsentwicklung widerspiegelt.

Der Scheduler baut ein graphisches Bild jeder Szene aus einer gegebenen Sequenz auf, berechnet zu diesem Zweck die Abmessungen und Koordinaten aller Objekte, aus denen die Szene besteht, und bildet auch die Bewegungsbahnen der Objekte, die für die Anzeige notwendig sind, und leitet all dies an die weiter Eingang des Visualizers.

Der Visualisierer gibt sequentiell mit einiger Verzögerung die erzeugten Bilder auf dem Anzeigebildschirm wieder. Beispielsweise wird für die obige Textbeschreibung die in Fig. 2 gezeigte Anfangsszene erzeugt.

So wie der linguistische Prozessor durch ein Wörterbuch von Begriffen mit dem Fachgebiet verbunden ist, so ist der Visualisierer durch die Basis grafischer Objekte mit demselben Gebiet verbunden.

Die Datenbank grafischer Objekte ist ein Satz dreidimensionaler Beschreibungen von Objekten und Subjekten, die in den analysierten Szenen zu finden sind. Um eine Basis für eine bestimmte Anwendung zu schaffen, wird ein zusätzliches Programm namens Graphic Object Librarian verwendet.

Reis. 2. Anfangsszene Grafische Objektbasis

Die Datenbank grafischer Objekte besteht aus einem Satz von Beschreibungen von Objekten und Themen, die dem betrachteten Themenbereich zugeordnet sind. Jedes Datenbankobjekt besteht aus einem für diese Datenbank eindeutigen Namen (oder Typ) (z. B. "Stuhl", "Tisch", "Sofa" usw.) und einer Beschreibung der Zusammensetzung und relativen Position der Komponenten, aus denen es besteht hoch.

Das Grundelement, aus dem alle grafischen Objekte aufgebaut sind, ist ein rechteckiges Parallelepiped (siehe Abb. 3). Um komplexe Objekte zu konstruieren, können auch andere zuvor definierte Objekte als Komponenten verwendet werden. Um beispielsweise ein so komplexes Objekt wie "Iwan" zu bauen, können Sie zunächst folgende einfachere Objekte definieren: "Kopf", "Hand", "Bein", und dann "Iwan" aus den bereits vorhandenen "Steinen" bauen.

Abbildung 3 zeigt das Objekt „Tabelle“, das aus fünf Grundelementen besteht. Für jedes Objekt wird ein rechteckiges Parallelepiped definiert, in das es eingeschrieben werden kann (in der Abbildung durch eine gepunktete Linie gekennzeichnet), und der Basiswinkel, an dem sich der Ursprung des Objekts befindet.

Darüber hinaus wird für jedes Objekt ein Satz von Farben definiert, mit denen seine Bestandteile bemalt werden, wenn sie auf einem Computerbildschirm angezeigt werden:

Anzahl Farben

Um eine Farbe anzugeben, werden drei Zahlentripel angegeben, wobei der Fülltyp die Reihenfolge bestimmt, in der die Primärfarben gemischt werden:
Fülltyp i

Fülltyp2

Fülltyp

Beim Rendern werden vier Schattierungstypen mit einer soliden Primär- oder kombinierten Farbe verwendet, wie in Abbildung 4 gezeigt.

Drei Zahlensätze ermöglichen es Ihnen, drei verschiedene Farbtöne zum Einfärben verschiedener Farben einzustellen

Komponente l

Jede Komponente eines Objekts wird durch ihre Position (Koordinaten relativ zum Basiswinkel), Abmessungen und Farbe der Flächen bestimmt.

Eine Komponente, die ein Grundelement ist, wird wie folgt beschrieben:

2) Basiswinkelkoordinaten im System

Objektkoordinaten;

3) Rotationswinkel um die Achsen des Systems

Koordinaten des Objekts, bis es mit den Koordinatenachsen des Elements zusammenfällt;

4) Elementabmessungen (dx, dy, dz);

5) Farbnummer.

Eine Komponente, die wiederum ein Objekt ist, wird wie folgt definiert: 1) type(=1);

2) Objektname;

3) Basiswinkelkoordinaten;

4) Rotationswinkel;

5) Abmessungen;

6) Farbnummer.

Wenn ein Objekt gerendert wird, werden alle seine Komponenten in Abhängigkeit von der Entfernung zur Projektionsfläche (Bildschirm) geordnet. Die am weitesten entfernten Komponenten werden zuerst gezeichnet, dann die nächsten, wodurch Sie die unsichtbaren Teile der am weitesten vom Betrachter entfernten Komponenten schließen können.

Auch die Flächen des Quaders sind in der Reihenfolge der Annäherung an die Projektionsfläche angeordnet. Für jeden Scheitelpunkt des Gesichts werden 3D-Koordinaten aus dem Szenenkoordinatensystem in 2D-Koordinaten des Anzeigebildschirms unter Verwendung der unten gezeigten Formeln übersetzt (siehe Fig. 5). Dann wird die Richtung des Normalenvektors bestimmt und die geeignete Art der Gesichtsschattierung ausgewählt, wonach ein dem Gesicht entsprechendes Viereck auf dem Anzeigebildschirm gezeichnet wird. Da die Elemente, die dem Betrachter am nächsten sind, zuletzt angezeigt werden, verdecken sie die unsichtbaren Kanten.

Reis. 5. Projektion des Objekts auf die Visualisierungsebene

Die Koordinaten eines zu einem Element gehörenden Punktes im Objektkoordinatensystem (x, y, z) werden nach folgenden Formeln berechnet:

wobei (x\ y", z1) die Koordinaten des Punktes im Elementsystem sind;

(xq, уо", zq) - Basiswinkelkoordinaten, tij - Richtungskosinus, d.h. cos-Winkel zwischen den Achsen / und j des Objektsystems.

Zur Berechnung des Richtungskosinus wird folgende Formel verwendet:

sina-sinp-gemütlich+cosa-sinp-cosa-sinp-gemütlich+sina-sinp

Sina-sinp-siny+cosa-gemütlich cosa-sinp-siny+sina-gemütlich

Sina cosp cosa cosp

Die Matrix M spezifiziert eine sequentielle Rotation um die x-Achse auf oc, y auf p, z auf y. Die Koordinaten der Projektion eines Punktes auf die Bildschirmfläche werden auf ähnliche Weise berechnet.

Grafikbibliothekar

Der Graphic Object Librarian ist ein Programm, das entwickelt wurde, um eine Reihe von Objekten und Themen zu erstellen, die in den analysierten Texten gefunden werden können. Mit diesem Programm können Sie eine neue Datenbank mit Objekten erstellen, eine vorhandene Datenbank laden, die Datenbank in einer Datei speichern, der Datenbank ein neues Objekt hinzufügen, ein Objekt ändern und löschen.

Reis. 6. Arbeitsbildschirm des Bibliothekars für grafische Objekte

Teile sowie die Werte der Parameter der aktuellen (bearbeiteten) Komponente.

Der Rest des Raums auf dem Bildschirm wird von drei orthogonalen Projektionen des Objekts und seiner isometrischen Projektion eingenommen, und es ist möglich, den Blickwinkel auf das Objekt zu ändern, indem die Rotationswinkel um die Koordinatenachsen eingestellt werden.

Das Hauptmenü des Programms enthält die folgenden Punkte:

Basis - Erstellen einer neuen Datenbank mit Objekten, Speichern und Laden der alten Datenbank.

Art - ändern isometrische Ansicht(Objektdrehung).

Objekte – Anzeige einer Liste aller Objekte in der Datenbank mit der Möglichkeit, zum ausgewählten Objekt zu navigieren.

Komponente - Einstellung der Parameterwerte für die Objektkomponente (Position, Abmessungen, Farbe).

Farben - Festlegen einer Reihe von Farben für das Objekt.

Raum - Erstellen und Anzeigen eines Raums aus vorhandenen Objekten (in der betrachteten Version nicht implementiert).

Beenden - Beenden Sie das Programm.

Die Schaltflächen unterhalb des Hauptmenüs führen die folgenden Funktionen aus:

Der Arbeitsbildschirm des Programms ist in Abb. 1 dargestellt. 6. Oben auf dem Bildschirm befindet sich das Hauptmenü, unten eine Reihe von Primärfarben (16 Farben) und vier Arten von Schattierungen. In der oberen linken Ecke (nach dem Menü) des Bildschirms befinden sich fünf Schaltflächen zum Erstellen und Bearbeiten eines Objekts. Direkt darunter befindet sich der Name des Objekts, eine Liste seiner Zusammensetzung

Fügen Sie einem Objekt eine neue Basis- oder zusammengesetzte Komponente hinzu

Ändern Sie die Größe (Abmessungen) einer Komponente

Position der Komponenten ändern

Komponente drehen

Komponente löschen

Beim Erstellen eines neuen Objekts wird ein Quader mit Standardabmessungen erstellt. Die Abmessungen der Objektkomponenten werden als ganze Zahlen im Bereich von 1 bis 400 festgelegt, daher müssen Sie beim Erstellen der Objektbasis den Maßstab so festlegen, dass die angezeigten (nicht realen) Abmessungen des Objekts in dieses Intervall fallen .

Um die Größe einer Komponente zu ändern, klicken Sie auf die Schaltfläche "Größe". Danach wechselt das Programm in den Modus zum Ändern der Abmessungen, was durch Verschieben der unteren rechten Ecke des Rechtecks, das der Komponente in einem der drei entspricht, erfolgt orthogonale Projektionen. Das Verschieben erfolgt mit Hilfe des "Maus"-Manipulators bei gedrückter linker Maustaste.

Auf die gleiche Weise wird die Komponente verschoben, wenn die Schaltfläche "Verschieben" gedrückt wird. Um die Komponente zu drehen, klicken Sie auf die Schaltfläche "Drehen". Das Hinzufügen einer neuen Komponente erfolgt durch Drücken der Schaltfläche „Neu“. Wenn Sie eine Operation mit einer Komponente ausführen, werden die Abmessungen des Objekts und die Koordinaten aller seiner Komponenten automatisch neu berechnet.

Bei Bedarf kann über die Schaltfläche „Entf“ der Bestandteil des Objekts gelöscht werden, was auch zur Neuberechnung von Koordinaten und Maßen führt. Zusätzlich zu Position und Größe definiert jede Komponente eines Objekts drei Farbschattierungen für seine Flächen. Die Wahl des einen oder anderen Farbtons hängt von der Position der Gesichtsebene (ihrer Normalen) im Raum ab. Wenn die Komponente wiederum ein Objekt ist, werden die Farben des Unterobjekts vererbt mit der Möglichkeit, sie durch die Farben des bearbeiteten Objekts zu ersetzen.

Um Farben für ein Objekt festzulegen oder eine Farbe für eine Komponente zu definieren, wählen Sie im Hauptmenü „Farben“. Auf dem Bildschirm erscheint ein Fenster (Abb. 7).

Im linken Teil dieses Fensters befindet sich eine Liste mit Farben für das Objekt, im rechten Teil ein Schattierungsmuster für drei mögliche Fälle, im unteren Teil vier Schaltflächen.

Um die Schattierung einzustellen, müssen Sie ein Gesicht (A, B oder C) und unten auf dem Bildschirm die Art der Schattierung, die Haupt- (linke Maustaste) und zusätzliche (rechte Maustaste) Farben auswählen. Wenn Sie auf die Schaltfläche "Speichern" klicken, wird die ausgewählte Farbe der Komponente zugewiesen. Mit den Schaltflächen „Hinzufügen“ und „Entfernen“ können Sie Elemente der Farbliste hinzufügen und entfernen.

Wenn kein "Maus"-Manipulator vorhanden ist, können Sie den Hauptmenüpunkt "Komponente" verwenden, um Komponentenparameterwerte einzustellen. In diesem Fall erscheint auf dem Bildschirm das in Abbildung 8 dargestellte Fenster Im oberen Teil dieses Fensters wird der Name der Komponente eingestellt (in der Abbildung der „linke Arm“ des Stuhls), der geändert werden kann im Bedarfsfall.

In der linken Hälfte des Fensters werden die Werte der Komponentenparameter eingestellt, in der rechten - eine Reihe von Schaltflächen zum Sortieren der Komponenten, Hinzufügen und Löschen, Einstellen der Farbe und Speichern oder Verweigern des Speicherns von Änderungen.

Mit diesem Fenster können Sie das Objekt vollständig beschreiben, indem Sie nur die Tasten verwenden. Um den Parameterwert einzustellen, gehen Sie mit den Cursortasten ("Up", "Down") in die gewünschte Zeile und drucken einen neuen Wert. Beachten Sie, dass in Abbildung 8 die Abmessungen angegeben sind in grau, d.h. sind einer Veränderung nicht zugänglich, da die Armlehne wiederum ein Objekt ist und dessen Dimensionen erbt.

Wenn Sie mit der Bearbeitung eines Objekts fertig sind, können Sie mit der Erstellung oder Bearbeitung eines weiteren fortfahren. Vor dem Beenden des Programms sollte die Objektdatenbank zur weiteren Verwendung im Programm zur Visualisierung dreidimensionaler Szenen in einer Datei gespeichert werden.

Visualisierung von 3D-Szenen

Das Visualisierungsprogramm kann in zwei Modi arbeiten. Im Hauptmodus erstellt der Planer die aktuelle 3D-Szene und übergibt sie zum Rendern an den Renderer. In einem anderen Betriebsmodus erzeugt der Scheduler eine Sequenz von Szenen für den analysierten Text und schreibt sie in eine Datei, die später von dem Visualizer verwendet wird. In diesem Fall fungiert der Renderer als Demonstrator der generierten Sequenzen.

Dem Programmeingang werden zwei Dateien zugeführt - die Basis der grafischen Objekte und die Sequenz der Szenen - in folgender Form:

Mit einem speziellen PAUSE-Befehl (Pause zwischen Szenen) wird eine Szene von der anderen getrennt.

Jede Szene wird als eine Folge von Befehlen beschrieben:

Mannschaft 1

Mannschaft t

Befehle werden in Objektbeschreibungsbefehle und Steuerbefehle unterteilt. Der Beschreibungsbefehl enthält die folgenden Felder:

Der eindeutige Name des verwendeten Objekts

in späteren Szenen;

Objekttyp (Name in der Datenbank);

Koordinaten des linken hinteren unteren

Winkel im Raumkoordinatensystem;

Rotationswinkel um die Koordinatenachsen

Größenmodifikator (L - groß, M -

mittel, S - klein);

Farbe (von 0 bis 8). Wenn Farbe=0, dann Objekt

in der in der Datenbank verwendeten Farbe angezeigt. Ansonsten: 1 - schwarz, 2 - blau 8 - weiß.

Unter der Menge von Objekten, die die anfängliche Szene beschreiben, muss es ein Objekt des Typs "Szene" (Raum) geben. Dieses Objekt ist eingebaut (nicht in der Datenbank der grafischen Objekte verfügbar). Sie legt die Dimensionen des Raumes sowie die Position des Betrachters fest. Indem Sie jedes Mal neue Rotationswinkel einstellen, können Sie die Position des Beobachters ändern, um zuvor unsichtbare Objekte zu sehen. Beispielsweise zeigt Abbildung 9 die zweite Szene des am Anfang des Artikels besprochenen Textes aus einem anderen Blickwinkel.

Reis. 9. Zweite Szene aus einem anderen Blickwinkel

Die folgenden Steuerbefehle werden verwendet, um eine Sequenz von Szenen zu erstellen:

PAUSE - Pause zwischen Szenen;

VERSCHIEBEN - Verschieben Sie ein Objekt zu einem neuen

Position;" TRACE - zeigt die Flugbahn der Bewegung des Objekts;

DEL - Objekt aus der Szene entfernen

(wird verwendet, um das Konzept von "Take" zu visualisieren).

Abschließend kann festgestellt werden, dass die entwickelten grafischen Tools auf die Verwendung in intelligenten CAD-Systemen, Robotern, Trainingssystemen, dem Bau von Computerspielen, "in Virtual-Reality-Systemen" ausgerichtet sind. Die Systemsoftware-Tools ermöglichen es Ihnen, Daten darzustellen, die in Text und Grafik ausgedrückt sind Formen und manipulieren sie.

Der nächste Schritt in der Entwicklung dieser Tools ist die Entwicklung eines Systems, das es Ihnen ermöglicht, nicht innerhalb einer einzelnen Szene zu manipulieren, sondern in einigen ihrer Kombinationen, wodurch Sie komplexere Welten erstellen können.

Bei der Betrachtung der Probleme der Konstruktion von Methoden und Werkzeugen zur Erstellung von Systemen der neuen Generation im Bereich der Mensch-Maschine-Interaktion (in weiten Sinne dieses Wortes) möchte ich noch einmal die herausragende Rolle figurativer, nonverbaler Darstellungen in verschiedenen kreativen und intellektuellen Prozessen betonen, darunter Lernen, Entdecken neuen Wissens, Umgang mit komplexen Objekten usw. menschliche Fähigkeit. Und hier natürlich wichtige Rolle gehört zu Computersystemen mit neuen Technologien zur Unterstützung dieser Fähigkeiten, insbesondere basierend auf kognitiver Grafik und Virtual-Reality-Systemen.

Referenzliste

5. Zenkin A. A. Kognitive Computergrafik // M.: Nauka, 1991.-S. 187.

7. Rakcheeva T.A. Kognitive Repräsentation der rhythmischen Struktur des EKG // Softwareprodukte und -systeme. - 1992. -L6 2.- S. 38-47.

4. Eremeev A. P., Korotkoe O. V., Popov A. V. Visueller Controller für Entscheidungsunterstützungssysteme // Proceedings / Sh Conf. An künstliche Intelligenz. Tver.-1992. T. 1.-S. 142-145.

2. Bakharev I. A., Leder V. E., Matekin M. P. Smart Day Graphics Tools-Anzeige

komplexe Dynamik technologischer Prozess// Softwareprodukte und -systeme. -1992. - Nr. 2.- S. 34-37.

8. V. Bajdoun, LXitvintseva. SJvfalitov et al. Tekris: Das intelligente System zur Textanimation // Proc. der Ost-West-Konf. auf Kunst. Intel. EWAIC93. 7. bis 9. September, Moskau, Russland. 1993.

3. Hamilton J., Smith A., McWilliams G. et al. Eine virtuelle Realität// Arbeitswoche. - 1993. - Nr. 1.

6. Litwinzewa L.V. Konzeptionelles Modell eines Visualisierungssystems für dreidimensionale dynamische Szenen // Softwareprodukte und -systeme. Nr. 2.1992.

1. Baidun V. V., Bunin A. I., Bunina O. Yu. Analyse von Textbeschreibungen dynamischer räumlicher Szenen im TEKRIS-System // Softwareprodukte und -systeme. -1992. -Nr. 3. - S. 42-48.

INHALT

Einleitung ..................................................................................................... ... 2

Kognitive Computergrafik………………………………….3
Das Konzept der kognitiven Computergrafik…………………….5
Anschauliche und kognitive Funktionen von CG………………………....6
Aufgaben und Anforderungen der kognitiven CG…………………………………....8
Anschauliche und kognitive Funktionen von Multimedia…………….10

Fazit ………………………………………………………………………………13
Liste der verwendeten Literatur………………………………………...14

EINLEITUNG

Die Entwicklung elektronischer Multimedia-Werkzeuge eröffnet grundlegend neue didaktische Möglichkeiten für den Bildungsbereich. So ermöglichen es interaktive Grafik- und Animationssysteme, deren Inhalt, Form, Größe, Farbe und andere Parameter im Prozess der Bildanalyse zu steuern, um die größtmögliche Sichtbarkeit zu erreichen. Diese und eine Reihe anderer Möglichkeiten werden von den Entwicklern elektronischer Lerntechnologien noch kaum verstanden, was die volle Nutzung des Bildungspotenzials von Multimedia nicht zulässt. Tatsache ist, dass der Einsatz von Multimedia im E-Learning nicht nur die Geschwindigkeit der Informationsübertragung an die Schüler und das Verständnis erhöht, sondern auch zur Entwicklung so wichtiger Eigenschaften für einen Spezialisten in jeder Branche wie Intuition und Professionalität beiträgt "Flair", phantasievolles Denken.
Der Einfluss der interaktiven Computergrafik auf intuitives, phantasievolles Denken hat zur Entstehung einer neuen Richtung in den Problemen der künstlichen Intelligenz geführt – der kognitiven (d.h. kognitionsfördernden) Computergrafik.
Ziel der Arbeit ist es, die Probleme der Systemorganisation von Softwarewerkzeugen für die Implementierung kognitiver Alben in einer Netzwerkumgebung sowie die Konzepte der kognitiven Computergrafik zu betrachten.

1. Kognitive Computergrafik

Menschliches Wissen bedient sich sozusagen zweier Denkmechanismen. Eine davon ist die Fähigkeit, mit abstrakten Zeichenfolgen zu arbeiten, denen einige semantische und pragmatische Darstellungen zugeordnet sind. Das ist die Fähigkeit, mit Texten im weitesten Sinne des Wortes zu arbeiten. Solches Denken könnte symbolisch oder algebraisch genannt werden. Eine andere ist die Fähigkeit, mit Sinnesbildern und Ideen zu diesen Bildern zu arbeiten. Solche Bilder sind viel spezifischer und integrierter als symbolische Darstellungen. Sie sind aber auch viel "vager", "weniger logisch" als das, was sich hinter den Elementen verbirgt, mit denen algebraisches Denken operiert. Aber ohne sie könnten wir die Welt um uns herum nicht in der uns eigenen Fülle widerspiegeln. Die Fähigkeit, mit Sinnesbildern (und vor allem mit visuellen Bildern) zu arbeiten, bestimmt das, was man als geometrisches Denken bezeichnen könnte. ein
Viele Experten auf dem Gebiet der Denkpsychologie sind davon überzeugt, dass es zwei Möglichkeiten gibt, Informationen darzustellen (in Form einer Folge von Symbolen und in Form von Bildern), die Fähigkeit, mit ihnen zu arbeiten und beide zu korrelieren Darstellungsweisen miteinander, die das eigentliche Phänomen des menschlichen Denkens darstellen.
Es besteht ein Bedarf an der Entwicklung spezieller Werkzeuge für die Arbeit mit visuellen Darstellungen und Möglichkeiten, von ihnen zu textuellen Darstellungen und dem umgekehrten Übergang überzugehen. Damit war die Hauptaufgabe gestellt, aus der nun ein neues Problemfeld hervorgeht – die kognitive Grafik.

Die kognitive Grafik unterscheidet sich von der Computergrafik dadurch, dass ihre Hauptaufgabe darin besteht, solche Wissensrepräsentationsmodelle (kognitive Modelle) zu erstellen, in denen es möglich wäre, sowohl Objekte darzustellen, die für das algebraische Denken charakteristisch sind, als auch Bilder – Bilder, mit denen das geometrische Denken mit einheitlichen Mitteln operiert. Diese kombinierten kognitiven Strukturen sind die Hauptobjekte der kognitiven Grafik.
Die Nutzung von ICG-Fähigkeiten in der wissenschaftlichen Grundlagenforschung spielt eine immer größere Rolle. Gleichzeitig wird die Betonung der für die Anfangsphase charakteristischen illustrativen Funktion der ICG, d.h. B. typische Diagramme und Histogramme, alle Arten von zweidimensionalen Graphen, Plänen und Diagrammen, Graphen verschiedener funktionaler Abhängigkeiten usw. zu erstellen, verschiebt sich zunehmend in Richtung der aktiven Nutzung jener ICG-Fähigkeiten, die eine "maximale Nutzung in der Wissenschaft" ermöglichen Forschung Mensch Fähigkeit, in komplexen räumlichen Mustern zu denken.
Die kognitive Funktion von Bildern wurde in der Wissenschaft schon vor dem Aufkommen von Computern genutzt. Figürliche Darstellungen im Zusammenhang mit den Begriffen Graph, Baum, Netzwerk usw. halfen, viele neue Theoreme zu beweisen, Euler-Kreise ermöglichten es, die abstrakte Beziehung von Aristoteles' Syllogistik zu visualisieren, Venn-Diagramme machten visuelle Verfahren zur Analyse der Funktionen der Algebra der Logik. 2
Der systematische Einsatz von kognitiver Grafik in Computern als Teil von Mensch-Maschine-Systemen verspricht viel. Selbst sehr schüchterne Versuche in diese Richtung, bekannt als Multimedia-Technologien, die jetzt die Aufmerksamkeit von Spezialisten auf sich ziehen (insbesondere diejenigen, die an der Schaffung intelligenter Lernsysteme beteiligt sind), zeigen, dass solche Studien vielversprechend sind.

2. Das Konzept der kognitiven Computergrafik

"Es ist besser, einmal zu sehen, als hundertmal zu hören ..." - sagt eine Volksweisheit. Aus dieser Sicht ist die gesamte Wissenschaftsgeschichte eine überzeugende Illustration des ewigen Wunsches des Menschen, die evolutionären Grenzen seiner Vision der umgebenden Welt zu erweitern. Der Mensch erfand das Teleskop, um die Geheimnisse der Sternwelten näher zu bringen und besser zu sehen, die der direkten Beobachtung verborgen waren, er schuf ein Mikroskop, um die kleinsten Objekte der Mikrowelt zu sehen, zu untersuchen ... Röntgenstrahlen und Spektroskopie ermöglichten es einer Person, das Innere zu sehen Struktur der Materie, Tomographie öffnete den menschlichen Blick Innere lebende Organismen, Wärmebildtechnik ermöglichte ihm, Wärme direkt zu sehen, ein Radiovisier - Radiowellen ... usw. usw. ... - sehen, betrachten, unterscheiden ... - aber nicht nur, weil durch das Auge in den Menschen das Gehirn eindringt erhält mehr als 90 Prozent der Informationen über die umgebende Welt: Das Sehen ist nicht nur ein Kanal oder ein Empfänger oder ein Konverter visueller Informationen, sondern anscheinend eines der wichtigsten Elemente der Technologie der figurativen, intuitiven, kreativ, d. h. nämlich neues Wissen generieren, denken.
Eine gelungene Zeichnung kann bekanntlich nicht nur das Wesentliche, den Sinn einer komplexen theoretischen Fragestellung überzeugend veranschaulichen: Eine solche Zeichnung lässt manchmal – und nicht so selten – neue, unerwartete Facetten eines scheinbar altbekannten Problems erkennen, nämlich , um eine neue Überlegung, einen Gedanken, eine Idee zu SEHEN. Mit anderen Worten, Grafiken erfüllen nicht nur die übliche, traditionelle ILLUSTRATIVE Funktion, sondern auch eine andere, nicht weniger wichtige, KOGNITIVE oder kognitionsfördernde Funktion. Und die moderne Informationstechnologie eröffnet grundlegend neue Möglichkeiten für den Einsatz eben solcher Cognitive Computer Graphics (CCG) zunächst im Bereich der abstrakt-theoretischen Forschung. Grundlagenwissenschaft(FN).
QCG ist eine Art universelles Analogon eines Teleskops, Mikroskops, Röntgenspektrometers, Tomographen, Wärmebildgeräts usw. mit dem wesentlichen Unterschied jedoch, dass es das erste physikalische Gerät in der Wissenschaftsgeschichte ist, das es einem ermöglicht, Objekte der nicht-physischen, unsichtbaren Welt wissenschaftlicher Abstraktionen zu sehen. Wenn wir berücksichtigen, dass solche Abstraktionen auch viele Regelmäßigkeiten beinhalten, die das Verhalten von Objekten und Systemen der realen Welt bestimmen, dann geht das Problem der CCG-Visualisierung abstrakter Entitäten über das rein akademische Interesse hinaus.

3. Illustrative und kognitive Funktionen von CG

Derzeit ist die Computergrafik einer der sich am schnellsten entwickelnden Bereiche des Neuen Informationstechnologien. So verschiebt sich in der wissenschaftlichen Forschung, einschließlich der Grundlagenforschung, die Betonung der für das Anfangsstadium charakteristischen illustrativen Funktion von CG zunehmend hin zur Nutzung jener Möglichkeiten von CG, die es ermöglichen, das menschliche Denkvermögen in komplexen räumlichen Bildern zu aktivieren . In dieser Hinsicht beginnen sich zwei Funktionen von CG klar zu unterscheiden: illustrativ und kognitiv. 3
Die illustrative Funktion der CG erlaubt es uns, nur das bereits Bekannte in einer mehr oder weniger adäquaten visuellen Gestaltung zu verkörpern, also existiert bereits entweder in der Welt um uns herum oder als Idee im Kopf des Forschers. Die kognitive Funktion von CG besteht darin, einige zu verwenden grafisches Bild einen neuen besorgen, d.h. Wissen, das noch nicht einmal im Kopf eines Spezialisten existiert, oder zumindest zum intellektuellen Prozess der Gewinnung dieses Wissens beitragen.
Die illustrativen Funktionen von CG werden in Bildungssystemen deklarativer Art implementiert, wenn Schülern ein artikulierter Teil des Wissens vermittelt wird, der in Form von vorgefertigten Informationen mit Grafiken, Animationen und Videoillustrationen präsentiert wird.
Die kognitive Funktion von CG manifestiert sich in Systemen eines prozeduralen Typs, wenn Schüler sich Wissen „aneignen“. Forschung auf mathematischen Modellen der untersuchten Objekte, und da dieser Prozess der Wissensbildung auf einem intuitiven rechtshemisphärischen Denkmechanismus basiert, ist dieses Wissen selbst weitgehend persönlicher Natur. Jeder Mensch gestaltet die Techniken der unbewussten geistigen Aktivität auf seine Weise. Die moderne psychologische Wissenschaft verfügt nicht über streng fundierte Methoden zur Bildung des kreativen Potenzials eines Menschen, auch wenn es sich um ein professionelles handelt. Einer der bekannten heuristischen Ansätze zur Entwicklung intuitiven berufsorientierten Denkens ist die Lösung von Forschungsproblemen. Die Verwendung von pädagogischen Computersystemen vom prozeduralen Typ ermöglicht es, diesen Prozess erheblich zu intensivieren, Routineoperationen daraus zu eliminieren und verschiedene Experimente mit mathematischen Modellen durchzuführen.
Die Rolle von CG in der Bildungsforschung kann nicht hoch genug eingeschätzt werden. Es sind die anschaulichen Bilder des Kurses und Ergebnisse von Experimenten an mathematischen Modellen, die es jedem Studenten ermöglichen, sich ein eigenes Bild von dem zu untersuchenden Objekt oder Phänomen in all seiner Gesamtheit und Vielfalt von Zusammenhängen zu machen. Es ist auch unbestritten, dass Computerbilder in erster Linie eine kognitive und keine illustrative Funktion erfüllen, da die Schüler im Prozess der pädagogischen Arbeit mit Computersystemen prozeduraler Art rein persönliche, d.h. für niemanden in dieser Form vorhanden, Bestandteile des Wissens.
Natürlich sind die Unterschiede zwischen den illustrativen und kognitiven Funktionen der Computergrafik eher willkürlich. Oft kann eine gewöhnliche grafische Illustration einige Schüler zu einer neuen Idee anregen und ihnen ermöglichen, einige Wissenselemente zu sehen, die vom Lehrer-Entwickler eines pädagogischen Computersystems eines deklarativen Typs nicht "investiert" wurden. So wird aus der illustrativen Funktion eines Computerbildes eine kognitive Funktion. Andererseits kann die kognitive Funktion eines Computerbildes während der ersten Experimente mit Bildungssystemen prozeduraler Art in weiteren Experimenten zu einer illustrativen Funktion für eine bereits "entdeckte" und damit nicht mehr neue Eigenschaft des Objekts werden im Studium.
Dennoch machen es die grundlegenden Unterschiede in den logischen und intuitiven Mechanismen des menschlichen Denkens, die sich aus diesen Unterschieden in den Formen der Wissensrepräsentation und Methoden ihrer Erschließung ergeben, methodisch sinnvoll, zwischen den illustrativen und kognitiven Funktionen der Computergrafik zu unterscheiden und deutlicher zu machen Formulierung der didaktischen Aufgaben von grafischen Bildern in der Entwicklung von Computer-Lernsystemen.

4. Aufgaben und Anforderungen der kognitiven CG

Ein bekannter Experte auf dem Gebiet der künstlichen Intelligenz, D. A. Pospelov, formulierte drei Hauptaufgaben der kognitiven Computergrafik. Die erste Aufgabe besteht darin, solche Modelle der Wissensrepräsentation zu schaffen, in denen es möglich wäre, sowohl Objekte, die für logisches Denken charakteristisch sind, als auch Bilder, Bilder, mit denen figuratives Denken mit einheitlichen Mitteln operiert, darzustellen. Die zweite Aufgabe ist die Visualisierung des menschlichen Wissens, für das es noch keine textlichen Beschreibungen gibt. Die dritte ist die Suche nach Wegen, um von den beobachteten Bildern-Bildern zur Formulierung einer Hypothese über die Mechanismen und Prozesse zu gelangen, die sich hinter der Dynamik der beobachteten Bilder verbergen. 4
Diese drei Aufgaben der kognitiven CG aus Sicht der Informationstechnologien der Bildung sollten durch die vierte Aufgabe ergänzt werden, die darin besteht, Bedingungen für die Entwicklung berufsorientierter Intuition und kreativer Fähigkeiten bei Schülern zu schaffen.
Bei der Entwicklung von Computersystemen für Ingenieuranalyse, Design und Training gehen sie in der Regel von den ersten beiden Aufgaben der kognitiven Grafik aus, wenn Wissen über ein technisches Objekt im Zuge der Forschung an mehrdimensionalen mathematischen Modellen gewonnen und in der üblichen symbolisch-digitalen Form dargestellt wird aufgrund einer großen Menge an Informationen für menschliche Analysen unzugänglich.
Ein klares Verständnis der dritten und vierten Aufgabe der kognitiven Grafik ermöglicht es uns, zusätzliche Anforderungen sowohl an die eigentlichen grafischen Bilder als auch an die entsprechende Software und methodische Unterstützung zu formulieren. Dazu gehören: die Angemessenheit der untersuchten Objekte oder Prozesse, die verwendeten Ingenieurmethoden und Lehrmethoden; Natürlichkeit und Zugänglichkeit für die Wahrnehmung durch schlecht geschulte oder sogar unvorbereitete Benutzer; Bequemlichkeit für die Analyse qualitativer Verteilungsmuster von Parametern; Ästhetik, Schnelligkeit der Bildbildung.

Die Schüler sollten auch in der Lage sein, die Art des Bildes zu wählen. Tatsache ist, dass die gleichen Informationen auf unterschiedliche Weise in grafischer Form dargestellt werden können. Zum Beispiel in der Mechanik eines deformierten Festkörpers etwa zehn verschiedene Arten Bilder. Die Ergebnisse spezieller Untersuchungen dieser Art der grafischen Darstellung von Informationen zeigen, dass jeder Mensch aufgrund seiner individuellen, persönlichen Wahrnehmung die Wirksamkeit einer bestimmten Art von Bild auf seine eigene Weise bewertet und die Einschätzungen verschiedener Personen erheblich voneinander abweichen können . Daher sollten Bildungscomputersysteme eine Reihe verschiedener Arten der grafischen Anzeige von Informationen haben, damit jeder Schüler den für ihn am besten geeigneten Bildtyp auswählen oder verschiedene grafische Bilder verwenden kann, um die Ergebnisse von Maschinenberechnungen zu analysieren. Es ist notwendig, den Schülern die Möglichkeit zu geben, Bilder zu steuern - Größe, Farbbereich, Position des Betrachterstandpunktes, Anzahl und Position der Lichtquellen, Kontrastgrad der angezeigten Werte usw. zu variieren. All diese Merkmale der grafischen Benutzeroberfläche ermöglichen es den Schülern nicht nur, die geeigneten Formen von grafischen Bildern auszuwählen, sondern führen auch Spiel- und Forschungskomponenten in die Bildungsarbeit ein und ermutigen die Schüler natürlich zu einer tiefen und umfassenden Analyse der Eigenschaften der untersuchten Objekte und Prozesse .

5. Anschauliche und kognitive Funktionen von Multimedia

Wenn wir die oben genannten Unterschiede zwischen den Denkmechanismen der linken und der rechten Hemisphäre in Bezug auf die kognitive Aktivität der Schüler interpretieren, können wir den Schluss ziehen, dass das logische Denken nur einige der wesentlichsten Elemente des Wissens herausgreift und daraus eine eindeutige Vorstellung davon bildet Objekte und Prozesse untersucht werden, während das Unterbewusstsein eine ganzheitliche Wahrnehmung der Welt in ihrer ganzen Vielfalt ermöglicht.
Basierend auf diesem Unterschied können zwei Funktionen von Multimedia unterschieden werden – die illustrative und die kognitive.
Die Vorbildfunktion unterstützt das logische Denken. In diesem Fall verstärkt, illustriert das Multimedia-Objekt einen klar ausgedrückten Gedanken, eine Eigenschaft des untersuchten Objekts oder Prozesses, d.h. was bereits formuliert wurde, zum Beispiel von einem Lehrer-Entwickler.
Die kognitive Funktion besteht darin, mit Hilfe eines Multimedia-Objekts etwas Neues zu bekommen, d.h. Wissen, das noch nicht einmal im Kopf eines Spezialisten existiert, oder zumindest zum intellektuellen Prozess der Gewinnung dieses Wissens beitragen.
Die illustrative Funktion von Multimedia wird in Bildungssystemen deklarativer Art implementiert, wenn den Schülern ein artikulierter Teil des Wissens vermittelt wird, der in Form von vorgefertigten Informationen mit Grafiken, Animationen, Audio- und Videoillustrationen präsentiert wird. Die kognitive Funktion von Multimedia usw.

Das Papier stellt eine Studie über die Ziele und Zwecke der kognitiven Computergrafik und -modellierung vor. Ihre Klassifizierung wird berücksichtigt. Eine vergleichende Analyse von kognitiver Computergrafik und Modellierung wird gegeben.
Es werden Pakete und Werkzeuge betrachtet, die die Ideen der Kognitionswissenschaften umsetzen. Ihre Klassifizierungs- und Anwendungsmerkmale werden angegeben.
Es wird ein Überblick über in- und ausländische Entwicklungen auf dem Gebiet der Kognitionswissenschaften gegeben. Es wird eine Analyse der Aussichten solcher Arbeiten durchgeführt.

1 Einführung in die kognitive Informatik

Mit der Entwicklung unserer Gesellschaft wächst der Strom der zu verarbeitenden Informationen wie eine Lawine. Und die Komplexität ihrer Analyse steigt entsprechend. Der Umfang dieser Aufgaben übersteigt die Möglichkeiten menschlicher Verstand. Auch eine gewisse maschinelle Verarbeitung ermöglicht es nicht immer, aus dem Informationsfluss neues oder gewünschtes Wissen zu extrahieren. Daher bedarf es einer qualitativ anderen Verarbeitungsebene, die den Einsatz von Methoden und Mitteln der kognitiven Computergrafik oder Modellierung beinhaltet.

Die Hauptaufgabe kognitiver Methoden besteht darin, einen Teil der Funktionen zu automatisieren kognitive Prozesse. Daher können diese Technologien in allen Bereichen eingesetzt werden, in denen Wissen selbst gefragt ist.

Das allgemeine Ziel der Computer Cognitive Sciences ist die Schaffung eines qualitativ neuen Wissens durch die Überwindung der Wahrnehmungs-, Wissens- und Verständnisbarrieren, die mit der Darstellung von Informationen in der üblichen alphanumerischen Form verbunden sind. So lässt sich beispielsweise die Geburt grundlegend neuer wissenschaftlicher Ideen oft nicht auf einen Prozess der Deduktion, einer formal logischen Schlussfolgerung von Hypothesen und Theorien reduzieren.

1.1 Grundbegriffe

Im Allgemeinen bezeichnet Cognitive Computer Modeling (CCM) die Modellierung mentaler, kognitiver Prozesse. Allerdings angesichts der Tatsache, dass In letzter Zeit Kognitive Modellierung ist weit verbreitet bei schwer zu formalisierenden Entscheidungs- und Managementproblemen; die folgende Definition ist viel häufiger zu finden.
CCM ist eine Analysemethode, die die Stärke und Richtung des Einflusses von Faktoren auf die Überführung des Kontrollobjekts in den Zielzustand bestimmt, wobei die Ähnlichkeiten und Unterschiede im Einfluss verschiedener Faktoren auf das Kontrollobjekt berücksichtigt werden. Grundlage solcher kognitiver Modelle ist meist eine klassische kognitive Landkarte.

Eine klassische kognitive Karte ist ein gerichteter Graph, in dem der privilegierte Knoten ein zukünftiger (normalerweise Ziel-) Zustand des Kontrollobjekts ist, die verbleibenden Knoten Faktoren entsprechen, die Bögen, die die Faktoren mit dem Zustandsknoten verbinden, eine Dicke und ein entsprechendes Vorzeichen haben Stärke und Richtung des Einflusses dieses Faktors auf den Übergang des Steuerobjekts zu gegebener Zustand, und die die Faktoren verbindenden Bögen zeigen die Ähnlichkeit und den Unterschied im Einfluss dieser Faktoren auf das Kontrollobjekt.

B liefert eine ähnliche Definition und weist darauf hin, dass der Ursache-Wirkungs-Graph ein vereinfachtes subjektives Modell der funktionalen Organisation des beobachteten Systems und ein „Rohmaterial“ für weitere Forschung und Transformation ist – kognitive Modellierung. Die Abbildungen 1.1 - 1.2 zeigen Beispiele für kognitive Karten.

Abbildung 1.1 – Ein Beispiel für eine kognitive Karte einer wirtschaftlichen Situation, entwickelt im kognitiven Modellierungssystem „CANVA“

Abbildung 1.2 – Ein Beispiel einer kognitiven Karte, die im kognitiven Modellierungssystem „iThink“ entwickelt wurde

Die allgemeinste Definition der kognitiven Computermodellierung findet sich in , wo sie als Synthese von traditioneller Computermodellierung und kognitiver Computergrafik verstanden wird.
Als eine spezielle Art klassischer kognitiver Karten wird das Konzept der kognitiven Megamaps eingeführt. Ihre Klassifizierung und Beispiele werden hier ebenfalls berücksichtigt.

Unter kognitiver Computergrafik (CCG) verstehen wir die Erstellung solcher Modelle der Wissensrepräsentation, in denen es möglich wäre, sowohl Objekte darzustellen, die für die verbal-logische, symbolische Denkebene charakteristisch sind, als auch Bilder-Bilder, die für nicht-symbolisches Denken charakteristisch sind . CCG steht in direktem Zusammenhang mit dem Prozess der wissenschaftlichen Kreativität.

1.2 Aufgaben der kognitiven Computergrafik

Gegenwärtig ist die Computergrafik einer der sich am schnellsten entwickelnden Bereiche der neuen Informationstechnologien. So verschiebt sich in der wissenschaftlichen Forschung, einschließlich der Grundlagenforschung, die Betonung der für das Anfangsstadium charakteristischen illustrativen Funktion von CG zunehmend hin zur Nutzung jener Möglichkeiten von CG, die es ermöglichen, das menschliche Denkvermögen in komplexen räumlichen Bildern zu aktivieren . In dieser Hinsicht beginnen sich zwei Funktionen von CG klar zu unterscheiden: illustrativ und kognitiv.

Die illustrative Funktion der CG erlaubt es uns, nur das bereits Bekannte in einer mehr oder weniger adäquaten visuellen Gestaltung zu verkörpern, also existiert bereits entweder in der Welt um uns herum oder als Idee im Kopf des Forschers. Die kognitive Funktion von CG besteht darin, mit Hilfe eines bestimmten grafischen Bildes ein neues zu erhalten, d.h. Wissen, das noch nicht einmal im Kopf eines Spezialisten existiert, oder zumindest zum intellektuellen Prozess der Gewinnung dieses Wissens beitragen.
Illustrative Funktionen von CG werden in deklarativen Systemen implementiert, wenn Benutzern ein artikulierter Teil des Wissens übermittelt wird, der in Form von vorgefertigten Informationen mit grafischen Animationen und Videoillustrationen präsentiert wird.

Die kognitive Funktion von CG manifestiert sich in Systemen eines prozeduralen Typs, wenn Benutzer Wissen durch Recherche "erlangen", sowohl über mathematische Modelle der untersuchten Objekte als auch im Prozess der Analyse der operativen Aktivitäten von Entscheidungsträgern verschiedene Arten Objekte der Kontrolle und Verwaltung. Da dieser Prozess der Wissensbildung auf einem intuitiven rechtshemisphärischen Denkmechanismus beruht, ist klar, dass dieses Wissen selbst weitgehend Expertennatur ist.

1.3 Aufgaben der kognitiven Computermodellierung

Der kognitive Ansatz beim Modellieren konzentriert sich darauf, die intellektuellen Prozesse des Subjekts zu aktivieren und ihm zu helfen, seine Darstellung der Problemsituation in Form eines formalen Modells zu fixieren. Als solches Modell wird, wie bereits erwähnt, meist eine kognitive Situationskarte verwendet.
Die Technologie der kognitiven Analyse und Modellierung ermöglicht es, die aktuelle Situation systematisch zu charakterisieren und zu begründen und auf qualitativer Ebene Lösungswege für diese Situation unter Berücksichtigung von Umweltfaktoren vorzuschlagen.

Der Einsatz von kognitiver Analyse und Modellierung eröffnet neue Möglichkeiten für Prognose und Management in verschiedene Bereiche:
- in wirtschaftlicher Bereich So können Sie in kurzer Zeit eine Strategie entwickeln und begründen wirtschaftliche Entwicklung Unternehmen, Banken, Regionen oder sogar den ganzen Staat, unter Berücksichtigung der Auswirkungen von Änderungen in Außenumgebung;
- im Bereich Finanzen und Börse - um die Erwartungen der Marktteilnehmer zu berücksichtigen;
– im militärischen Bereich und im Bereich der Informationssicherheit – um strategischen Informationswaffen entgegenzuwirken, Konfliktstrukturen frühzeitig zu erkennen und geeignete Maßnahmen zu entwickeln

2 Einteilung der Aufgaben der kognitiven Computergrafik und Modellierung

An sich unterscheiden sich die Konzepte der kognitiven Grafik und der kognitiven Modellierung erheblich. Dementsprechend unterscheiden sich auch die Entwicklungen, die in diesen Bereichen durchgeführt werden. Diese beiden Bereiche der Informatik können aber nicht getrennt betrachtet werden. Sie sind drin enge Beziehung und untersuchen Sie Themen, die sich ergänzen.
Sowohl bei der kognitiven Modellierung als auch bei der kognitiven Grafik gibt es 3 Hauptaufgabenbereiche zu lösen, die in Tabelle 1 dargestellt sind.

Tabelle 2.1 Aufgabenverteilung von KKM und KKG

	KKM	KKG
1	Die Aufgabe ist verbalisierbar, aber nicht lösbar oder schwer zu lösen ohne die Verwendung einiger nicht traditioneller Methoden, z. B. Expertensysteme	die Schaffung solcher Modelle der Wissensrepräsentation, in denen sowohl für das logische Denken charakteristische Gegenstände als auch Bilder, Bilder, mit denen das figurative Denken mit einheitlichen Mitteln operiert, dargestellt werden könnten
2	Modellierung kognitiver Prozesse im Zusammenhang mit dem Verstehen und Verarbeiten von Text- und Bildinformationen, d.h. Entwicklung von Systemen wie „Text – Zeichnen“ und „Zeichnen – Text“	Visualisierung des menschlichen Wissens, für das es noch keine textlichen Beschreibungen gibt
3	Wahrnehmungs- und Bewertungssysteme“ - in vielerlei Hinsicht ähnlich Punkt 1, jedoch ist hier nicht so sehr die Komplexität der Aufgabenstellung entscheidend, sondern die Menge an Erstinformationen und die Entscheidungszeit	Suche nach Wegen, um von den beobachteten Bildern zur Formulierung einer Hypothese über jene Mechanismen und Prozesse zu gelangen, die hinter der Dynamik der beobachteten Bilder verborgen sind

Die derzeit verfügbaren Forschungs-, Entwicklungs- und Softwareprodukte unterscheiden jedoch eigentlich nicht zwischen Aufgaben bei CCM und CCG, sondern lösen sie gemeinsam in einem von drei Bereichen.

2.1 Steigerung der Wahrnehmung der angezeigten Prozessdynamik

Sehr oft gibt es ein Problem der Kritikalität der Reaktionszeit des Bedieners, um bestimmte Parameter in Echtzeit-Steuerungssystemen zu ändern. Der Betreiber muss im Falle einer anormalen Situation über die Korrektheit des Verhaltens der entsprechenden Teilsysteme entscheiden. Unangemessene oder falsche Entscheidungen können zu erheblichen materiellen Verlusten führen.

Um die Zeit, die für die Wahrnehmung dieser oder jener Informationen erforderlich ist, zu reduzieren, wenn sie präsentiert werden, ist es sinnvoll, sich nicht so sehr dem leistungsschwachen "Mechanismus" der Logik zuzuwenden, sondern dem mächtigeren - dem intuitiv assoziativen Denken.
BEIM dieser Fall Der kognitive Ansatz berücksichtigt, dass Informationen, die in Form einer Änderung der Form, der Farbe einer Figur oder der Verzerrung ihrer Proportionen präsentiert werden, viel schneller wahrgenommen werden als die gleichen Informationen in Textform.

2.2 Kognitive Prozessmodellierung für weitere Analysen

Der Zweck der kognitiven Modellierung besteht darin, Hypothesen über die funktionale Struktur der beobachteten Situation zu generieren und zu testen, bis eine funktionale Struktur erhalten wird, die das Verhalten der beobachteten Situation erklären kann.

Die Hauptanforderungen an Computersysteme der kognitiven Modellierung sind Offenheit für alle mögliche Änderungen viele Faktoren der Situation, Ursache-Wirkungs-Zusammenhänge, Einholen und Erklären qualitativer Prognosen über die Entwicklung der Situation (Lösung des direkten Problems „Was passiert, wenn ...“), Einholen von Ratschlägen und Empfehlungen zur Bewältigung der Situation (Lösen das inverse Problem „Was wird benötigt, um ...“).
Engpass bestehende Systeme Kognitive Modellierung von Situationen geht mit der Inkonsistenz ihrer Benutzeroberfläche und Verarbeitungsalgorithmen einher psychologische Eigenschaften subjektive Messung der Werte und Stärke der gegenseitigen Beeinflussung der Faktoren der beobachteten Situation. Diese Inkonsistenz führt zu Fehlern und Missverständnissen des Experten bei der Bestimmung der Stärke der gegenseitigen Beeinflussung von Faktoren, die im kognitiven Modell der Situation enthalten sind. Die Entwicklung einer Verhaltensstrategie für ein Subjekt, das auf einem kognitiven Modell mit Wahnvorstellungen basiert, führt natürlich zu wahnhaften Strategien.

2.3 Hochwertige Datenvisualisierung

Seit vielen Jahrtausenden sind Sprache, Text und statische Bilder die Hauptträger des intellektuellen menschlichen Wissens. Aber all diese Träger können die Dynamik eines Prozesses nur beschreiben, aber nicht reproduzieren. Im Laufe der Zeit vertieft sich das menschliche Wissen und wird viel komplexer. Um es zu vermitteln, sind daher Mittel erforderlich, die die Dynamik darstellen und nicht beschreiben können. Eines der ersten Medien dieser Art ist ein Videobild, das jedoch nicht in der Lage ist, die Dynamik der meisten Prozesse darzustellen. In der Zukunft wurde begonnen, Computermodelle zu verwenden, um dieses Problem zu lösen.

Aber es reicht nicht aus, nur Wissen zu vermitteln. Es ist notwendig, es in einer solchen Form zu vermitteln, dass es dem Verständnis des Erkennenden zugänglich ist. Das ist der Unterschied zwischen KM und KKM und das Problem der Wahl der Kategorien der Wissensrepräsentation Fakt ist, dass dem Menschen von Kindheit an beigebracht wird, in Kategorien zu denken echte Welt, die er berühren, sehen usw. Aber was älteres Kind, desto abstraktere Kategorien und Methoden zu ihrer Handhabung muss er lernen.

Zudem wächst und verändert sich der Informationsfluss ständig. An Universitäten bedeutet Lernen das Auswendiglernen einer endlosen Menge von Diagrammen, Grafiken und Textabschnitten, die schwer zu lesen und schwer zu verstehen sind. Jeden Tag müssen hundert abstrakte Objekte und die Beziehungen zwischen ihnen im Gedächtnis festgehalten werden. Und viele der Konzepte, die die Dynamik eines Prozesses beschreiben, sind selbst in einigen schematischen Zeichnungen oft schwer zu vermitteln.
Daher sollte in kognitiven Modellen eine solche Darstellung wissenschaftlicher Konzepte gewählt werden, die zum Auslösen von Denkmechanismen beiträgt und den Schüler dazu ermutigt, sich an einiges Wissen nicht zu erinnern, sondern sich dessen bewusst zu sein.

Die Notwendigkeit, die Merkmale der intellektuellen Wahrnehmung von Informationen zu berücksichtigen, wird ebenfalls in erwähnt. Als Beispiel werden Verfahren zur Darstellung der Felder physikalischer Eigenschaften technischer Objekte und Algorithmen zur Konstruktion entsprechender Bilder mit hohem kognitivem Potential angegeben. Die Verteilung der Plattenkräfte ist also ohne Simulation nicht vorstellbar. Aber die Wahl des Präsentationsmodells hängt von der Person ab.

Abbildung 2.1 – Verteilung der Kräfte in der Platte (zwei Optionen).

3 Klassifizierung von Softwareprodukten unter Verwendung der Ideen der kognitiven Computermodellierung und -grafik.

3.1 Kognitive Schnittstellenunterstützung

Die Steigerung der Wahrnehmung von Mensch-Maschine-Interaktionsschnittstellen löst das obige Problem der kritischen Bedeutung der Reaktionszeit des Bedieners.
Wenn beispielsweise Informationen von mehreren tausend Sensoren diskreter und kontinuierlicher Art auf der Bedienerkonsole angezeigt werden, die eine komplexe Technologie in Echtzeit steuert, werden viele Videobilder (Dynamikdiagramme, Tabellen usw.) verwendet, um sie anzuzeigen. Der Bediener muss alle diese Informationen verstehen und im Falle einer anormalen Situation eine Entscheidung treffen, um das Verhalten der entsprechenden Subsysteme zu korrigieren. Unangemessene oder falsche Entscheidungen können zu schweren materiellen oder sogar menschlichen Verlusten führen, während die Zeit, die zum Nachdenken zur Verfügung steht, in Minuten berechnet wird. Daher sind Personen, die in solchen Situationen als Bediener oder Disponenten agieren, häufig einer Stressüberlastung ausgesetzt.

Das Unternehmen "TASMO-BIT" entwickelt sich aktiv in diese Richtung:
-KOGRA - Kognitives intelligentes Echtzeitsystem für das Betriebsmanagement
-DIEKS ist ein dynamisches Expertensystem zur Betriebsdiagnose des Ausrüstungszustandes umweltgefährdender Anlagen und Industrien.
-Porcupine - Das System wurde entwickelt, um eine Benutzeroberfläche zu erstellen und die Interaktion zwischen Elementen der Benutzeroberfläche und Elementen des Zugriffs zu konfigurieren Externe Quellen Daten.
Abbildung 3.1 zeigt die Tools, die in der Benutzeroberfläche des SPRINT-RV-Systems in Block 5 des KKW Novovoronezh implementiert sind.

Abbildung 3.1 – Ein Beispiel für eine kognitive Benutzerschnittstelle.

3.2 Kognitive Modellierung in Simulationspaketen

Nicht jede Simulationsumgebung kann kognitiv sein. Dazu ist es notwendig, dass die Aufgaben der kognitiven Grafik erfüllt werden, d.h. zumindest ist die Anwesenheit von Objekten, die für logisches Denken charakteristisch sind, oder von Bildbildern, mit denen figuratives Denken arbeitet, in dieser Umgebung notwendig.
Beispielsweise wurden für die Modellierung von Geschäftsprozessen Methoden und Standards entwickelt, mit deren Hilfe diese beschrieben und visualisiert werden können. SADT ist eines der bekanntesten und am weitesten verbreiteten Simulationssysteme. SADT ist ein Akronym für Structured Analysis and Design Technique (Technologie strukturelle Analyse und Design) sind grafische Symbole und eine Methode zur Beschreibung von Prozessen. SADT kann in allen Stadien angewendet werden Lebenszyklus Systeme. Die Anerkennung der Nützlichkeit von SADT führte zur Standardisierung und Veröffentlichung des funktionalen Modellierungsteils davon als IDEFO-Funktionsmodellierungsmethodik und -standard.
Diese und andere Standards werden in Paketen wie BPwin von Logik Works, ProCap 6.0, ProSim 7.0, SmartER 5.0 von Knowledge Based Systems Inc. verwendet. usw.
Die Visualisierung des Themengebietes erfolgt in den meisten derzeit verfügbaren Softwarepaketen über klassische Cognitive Maps. Die ersten derartigen Modelle wurden Anfang der 80er Jahre erfunden. Sie basieren auf den meisten moderne Systeme Dynamische Modellierung in Finanzen, Politik und Wirtschaft.
Zu den beliebtesten modernen Entwicklungen gehören Hyper Logic, IntelligenceWare, InfraLogic, Aptronix, Oracle und viele andere. Das CubiCalc-Paket von HyperLogic ist eines der leistungsfähigsten Expertensysteme, das auf Fuzzy-Logik basiert.
Im postsowjetischen Raum sind iThink- und Simulink-Pakete am beliebtesten. Allerdings sind diese Pakete ziemlich umständlich zu bedienen, obwohl sie sich laut Dokumentation an "einfache Manager" richten.
Auf dem heimischen Markt erschienen die letzten Jahre der Entwicklung und tatsächlich fertige Pakete ähnlicher Systeme. Unter ihnen:
- an der IPU RAS erstellte Softwaresysteme „Lage“, „Kompass“, „KIT“.
- System der kognitiven Modellierung "CANVA", Kulinich A. A.
- Systemkognitive Modellierung KTR EVS Kutakov S.V.
usw.
Unabhängig davon sind in dieser Richtung die Arbeiten von A.E. Jankowskaja. Visualisierung und Begründung der Entscheidungsfindung basieren auf den Elementen der kognitiven Grafik, die auf 4 Methoden der grafischen Visualisierung basieren: Histogramm spezieller Typ, gleichseitiges Dreieck, Kuchendiagramm mit einem Segment und einem Rechteck, Carnots Karte. 3.3 Pakete zur Entwicklung hochwertiger Datenvisualisierungen Oftmals steht das im Rahmen der Forschung an mehrdimensionalen mathematischen Modellen gewonnene und in der üblichen symbolisch-numerischen Form dargestellte Wissen über ein technisches Objekt aufgrund unzureichender Darstellung für die menschliche Analyse nicht zur Verfügung hohes Level Abstraktheit von Informationen.
Der allgemeinste Ansatz zur Lösung dieses Problems ist im DeductorStudio-Paket implementiert, mit dem Sie dieselben Daten auf viele verschiedene Arten anzeigen können. besondere Aufmerksamkeit verdient Zusammenarbeit mehrere russische Universitäten: Virtueller Fonds für naturwissenschaftliche und wissenschaftlich-technische Effekte "Effective Physics". Das Projekt ist ein Bildungs-, Methoden- und Nachschlagewerk, das auf der Grundlage moderner Internet-Technologien implementiert und fokussiert wird verschiedene Level Bildung (allgemeine Sekundarstufe; Grundschule, Sekundarstufe, höhere und postgraduale Berufsausbildung). Jeder Effekt im Fundus hat zusätzlich zu einer formalisierten und üblichen Beschreibung eine Animation, die das Wesen des Effekts veranschaulicht. In den Entwicklungen des Technoparks von DonNTU ist die Klasse der animierten Phänomene nicht auf die Physik beschränkt. Seit einigen Jahren gibt es ein Masterportal, in dem jede wissenschaftliche Arbeit eine erklärende Animation enthält. Ein weiteres Werkzeug zur Verbesserung des kognitiven Lernens ist die visuelle Programmierung, eine Programmierung, die mehr als eine Dimension verwendet, um Semantik zu vermitteln. Ein bemerkenswertes Merkmal der visuellen Programmierung ist, dass sie zur Entwicklung der algorithmischen Fähigkeiten des Intellekts beiträgt, ohne die Merkmale und Feinheiten der internen Architektur eines Computers oder Betriebssystems zu studieren. Visuelle Programmierung hilft, die Koordinationsbarriere und die Verständnisbarriere zu überwinden. Jene. Jeder Student, der ein Programm schreiben möchte, muss die Besonderheiten der Syntax von Operatoren, Variablen usw. nicht lernen.
Zu solchen Entwicklungsumgebungen gehören VUFC (Visual Unix Filter Components), SIVIL ist eine Programmiersprache und eine Bibliothek von Subroutinen in Bildern, LegoRobolab und viele andere.

Herausragende Leistungen auf diesem Gebiet gehören Zenkin A.A. Er erforscht die wissensgenerierenden Fähigkeiten der kognitiven Computergrafik. Die von ihm entwickelten Systeme ermöglichen das Arbeiten mit Bildern (Pythogrammen) von abstrakten mathematischen Objekten, die die Arbeit der rechten Hemisphäre des menschlichen Gehirns aktivieren, die dafür verantwortlich ist visuelles Denken und kreative Intuition. Dadurch können Sie Neues entdecken wissenschaftliche Fakten, Ideen, Hypothesen. So erzielte er nichttriviale Ergebnisse in Zahlentheorie, Logik und Mengenlehre.

Abbildung 3.3 - Ein Beispiel mit einem Parabelsystem DSCH - Dialogue System for the study of problems in the Additive Theory of Numbers.

Einer der meisten wirksame Methoden Anzeige mehrdimensionaler Informationsvektoren sind Piktogramme - schematische Bilder. Chernovs Gesichter sind ein typisches Beispiel für eine solche Zurschaustellung.

Chernovs Gesichter sind eine schematische Darstellung von Gesichtern, denen bestimmte Merkmale entsprechen relative Werte gegebene Eigenschaften. Somit entsprechen sich unterschiedliche Datensätze verschiedene Ausdrücke Chernovs Gesichter, damit Sie kommen Grund Ideeüber den Zustand des Systems und den Grad der Abweichung von der Norm seiner individuellen Eigenschaften. Beispielsweise können zu große Augen eine Abweichung von der Norm des entsprechenden Merkmals vor dem Hintergrund der Norm des Rests anzeigen. Manchmal deckt diese Art der grafischen Darstellung verborgene Beziehungsmuster zwischen Daten auf, die mit anderen Methoden nicht aufgedeckt werden können.

4. Schlussfolgerung

Im Zuge dieser Arbeit wurden die Ziele und Zielsetzungen der kognitiven Computergrafik und Modellierung untersucht. Ihre Klassifizierung wird berücksichtigt.
Es wurden Pakete und Werkzeuge untersucht, die die Ideen der Kognitionswissenschaften umsetzen.
Es wurde festgestellt, dass kognitive Modellierung und Grafik derzeit vielversprechende, sich schnell entwickelnde Bereiche der Informatik sind, die eine ziemlich breite Klasse angewandter Probleme abdecken.
Die vielversprechendste Richtung der kognitiven Computermodellierung auf unserem heutigen Markt ist die Schaffung von Situationszentren und Expertensystemen, die es ermöglichen, Entscheidungen bei schwer zu formalisierenden Aufgaben zu treffen, und über eine Schnittstelle verfügen, die dem durchschnittlichen Benutzer zugänglich ist. Denn solche Systeme werden im geschäftlichen Umfeld zunehmend nachgefragt.
Bestehende westliche Versionen solcher Systeme sind ziemlich teuer, werden auf teuren Geräten implementiert und sind für den durchschnittlichen Benutzer schwer zu verstehen.
Einerseits öffnet sich damit eine weitere unbesetzte Nische für Arbeitsmarkt, da es an Spezialisten im Bereich der Wartung und Konfiguration solcher Systeme mangelt. Andererseits ermöglicht es inländischen Entwicklern, aufgrund niedrigerer Kosten zu konkurrieren.

Unten ist ein Applet, das Chernovs Gesichter für verschiedene Zustände des Patienten simuliert. Die Größe der Augen entspricht der Temperatur des Patienten, die Krümmung des Lächelns - der obere Druck (trauriges Lächeln - Hoher Drück) und das Vorhandensein/Fehlen von Halsschmerzen entspricht dem Vorhandensein/Fehlen von Ohren im Piktogramm.
Das Applet wird unten in einem Java-fähigen Browser angezeigt.

Literatur

Website: IPU RAS, Sektor-51 „Kognitive Analyse und Modellierung von Situationen“: http://www.ipu.ru/labs/lab51/projects.htm.
Kulinich A.A. Subjektorientiertes System der konzeptionellen Modellierung "Canva". Tagungsband der 1. Internationalen Konferenz "Kognitive Analyse und Management der Entwicklung von Situationen". Moskau, Oktober 2001
Anoprienko A. Ja. Vom Rechnen zum Verstehen: Kognitive Computermodellierung und Erfahrung ihrer praktischen Anwendung am Beispiel der Problemlösung des Diskos von Phaistos // Wissenschaftliche Arbeiten Staatliche Technische Universität Donezk. Heft 6. Reihe "Informatik, Kybernetik und Computertechnik" (IKVT-99). - Donezk: DonGTU. - 1999. - S. 36-47
Anoprienko A.Ya Kognitive Megamaps: die Erfahrung der Rekonstruktion kulturbildender Modelle und Bilder der Welt // Wissenschaftliche Arbeiten von DonNTU. Ausgabe 39 - Donezk: DonGTU. - 2002 - S. 206-221
Shemakin Yu I. Anfänge der Computerlinguistik: Proc. Zuschuss. Moskau: MGOU-Verlag, A / O "Rosvuznauka", 1992.
Gelovani V.A., Bashlykov A.A., Britkov V.B., Vyazilov E.D. Intelligente Entscheidungsunterstützungssysteme in Notfallsituationen mit Informationen über den Zustand der natürlichen Umwelt: Editorial URSS. – 2001.
Solowow A.V. Design von Computersystemen für Bildungszwecke: Lernprogramm. Samara: SGAU, 1995. 138s.
Zenkin A.A., .ZenkinA.A., Cognitive Reality: Generation of Creative Solutions in Science, Education, Management. // Tagungsband der Internationalen Konferenz "User Interface in Modern Computer Systems". - Orel, Russland, 1999
Chernoff H.: „Gesichter verwenden, um Punkte im K-dimensionalen Raum graphisch darzustellen“, J. ASA, 1973, Nr. 68.

Bei der Erstellung des Abstracts (Juni 2006) war die Masterarbeit noch nicht abgeschlossen. endgültige Fertigstellung- Januar 2007 Der Volltext der Arbeit und alle Materialien zum Thema können nach dem angegebenen Termin beim Autor oder seinem Betreuer bezogen werden.