diplom (Разработка образовательной среды для дистанционного обучения по дисциплинам Компьютерная графика и Системы искусственного интеллекта. Геометрические преобразования), страница 2

Для устранения указанных недостатков в разработанной системе дистан­ционного образования изначально была заложена принципиально иная концеп­ция, в основном направленная на формирование у обучаемых достаточно хо­роших практических навыков по изучаемым курсам. Этой цели подчинены 75% режимов работы созданной системы.

Разработчиками сделана попытка заложить в разработанную систему не­которую универсальность путем определения в ней некоторого расширяемого небольшого набора примитивов: "текст", "рисунок", "трехмерная модель объ­екта", что позволяет достаточно легко перенастраивать систему на ряд "родст­венных" курсов, а при расширении количества примитивов расширяется спи­сок возможных дисциплин, которые могут быть заложены в систему. Очевид­но, что указанная универсальность довольно относительна и создать универ­сальную обучающую систему с широкими возможностями по привитию практического опыта если и возможно, то весьма проблематично.

В данном случае такой задачи и не ставилось, разработанная система из­начально предполагалась для дисциплин "Компьютерная графика" и "Системы искусственного интеллекта" а также для близких с ними дисциплин. Использо­вание одного и того же набора примитивов для создания курсов по указанным дисциплинам привело к тому, что при последовательном их изучении происхо­дит плавный переход от одной дисциплины к другой. Часть указанных прими­тивов имеет режим динамической работы с ними. Интерактивная работа с при­митивами более интересна обучаемому, нежели простое созерцание выдавае­мой информации по его чисто человеческой природе, что положительно сказы­вается на повышении эффективности обучения.

Кроме новизны самой концепции построения обучающей среды, в разра­ботанной системе заложен целый ряд новых подходов и методов, примени­тельно к конкретным рассматриваемым дисциплинам ("Компьютерная графи­ка" и "Системы искусственного интеллекта").

Геометрическая модель вводится как совокупность изменяемых и неиз­меняемых структур данных, однозначно определяющих моделируемый трех­мерный объект. Изменяемая компонента структур данных модели определяет привязку объекта к системе отсчета. Неизменяемая компонента определяет ха­рактеристики самого объекта с помощью топологических элементов и отноше­ний между ними. Изменяемая информация задается линейной списковой структурой дескриптором вершин 8(Х, У, 2), содержащим координаты каждой вершины. Неизменяемая информация представляется отношениями между то­пологическими элементами моделируемого объекта.

Получение искомого геометрического преобразования происходит по­средством накапливания элементарных преобразований в матрице результи­рующего преобразования при последовательном ее домножении на матрицы элементарных геометрических преобразований.

Опыт обучения вопросам геометрических преобразований показывает, что рассматриваемые в среде задачи, соответствующие алгоритмам геометри­ческих преобразований следует распределить по трем уровням сложности сле­дующим образом:

высший получение любого преобразования относительно произвольной плоскости, заданной несколькими способами.

средний получение любого преобразования относительно произвольной прямой.

низший получение любого преобразования относительно произвольной точки, а так же элементарные геометрические преобразования.

Основным связывающим звеном между дисциплинами "Компьютерная графика" и "Искусственный интеллект" является способ решения задач геомет­рических преобразований с помощью механизма логического вывода продук­ционных систем. При всем разнообразии задач геометрических преобразований их решение процедурными методами привело бы к значительному увеличению объема и трудоемкости написания программы, а также существенному сниже­нию гибкости. Реализованный в разработанной системе способ решения гео­метрических задач с помощью продукционных систем позволил добиться аб­солютной гибкости, т. е. преподаватель может вводить в курс все возможные задачи. Подобный подход позволяет таким образом построить выполнение за­дач геометрических преобразований, что становиться возможным реализовать все возможные преобразования в одном механизме вывода за счет использова­ния соответствующей базы знаний.

Разработанный способ используется в системе для решения следующих подзадач: во-первых, он заложен в саму программу для выполнения постоянно необходимых преобразований; во-вторых, на примере этого метода построено обучение по курсу "Продукционные системы", что весьма положительно, т. к. предмет осваивается обучаемым на конкретном примере из той области, с ко­торой он ранее ознакомился с другой стороны.

2. 2. Постановка задачи

Для обеспечения функционирования разработанной системы дистанци­онного образования во всех предусмотренных режимах необходимо было ре­шить следующие задачи:

1) теоретического плана:

- разработка способа представления информации о трехмерных геомет­рических объектах. Установление связей в разрабатываемых структу­рах и формальное описание преобразований, представленных таким образом;

- разработка универсального метода получения геометрических преоб­разований объектов на основе разработанного механизма вывода;

- разработка способов обучения методам геометрических преобразова­
ний, как примера использования продукционных систем.

2) Практического плана:

• реализация разработанного универсального способа получения гео­
  метрических преобразований на основе продукционных систем;

• разработка блока демонстрации формирования последовательности
  преобразований и контроля действий обучаемым;

- разработка блока выдачи задания обучаемому для самостоятельной
работы с учетом уровня сложности и блока контроля правильности
выполнения полученного задания.

2. 3. Обоснование выбора подхода и метода решения по­ставленной задачи

В основе разработанной системы лежит использование продукционных систем для решения задач геометрических преобразований. Основные доводы в пользу такого выбора:

1. Как отмечалось выше в главе анализа существующих подходов, алго­
   ритмические методы нахождения последовательности геометрических
   преобразований явно неэффективны, следовательно необходим дру­
   гой подход.

2. Использование связки "Продукционные системы + геометрические
   преобразования" выгодно с той точки зрения, что эти два понятия
   легко связать в единую работающую систему.

3. Разрабатываемая программа становится компактной, легкоизменяе­
   мой только за счет изменения базы знаний.

4. Механизм вывода при работе с используемым представлением объек­
   тов очень прост.

5. Реализация универсального метода нахождения всех возможных по­
   следовательностей геометрических преобразований в данном случае
   значительно упрощается.

6. Построение учебного материала по курсу "Продукционные системы"
   на основе заложенных в системе методов довольно наглядно, позво­
   ляет использовать те же примитивы, что и для курса "Геометрические
   преобразования", позволяет осуществить легкий переход от одного
   учебного курса к другому, следовательно легко освоить "Продукци­
   онные системы" и пополнить свой опыт в графике.

7. Использование продукционных систем, и одного и того же механизма
   вывода позволяет реализовать визуализацию информации о графиче­
   ском объекте, организовать построение новых структур подобного
   рода самим обучаемым, организовать контроль этого процесса как
   частично, так и для всей совокупности структур в целом, т. е. реализо­
   вать все практические задачи, поставленные выше.

3. ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

3. 1. Разработка моделей и алгоритмов решения

Как было отмечено в п. 2. 1., имеется множество различных вариантов геометрических преобразований. Решение данной задачи напрямую не только неэффективно, но и громоздко. Поэтому был выбран другой путь, основанный на использовании представлений знаний продукционными системами.

Для обеспечения возможности использования продукционных систем разработан новый способ представления информации о трехмерных геометри­ческих объектах. Элементарные геометрические примитивы представлены в виде фактов базы знаний.

Работа блока получения продукций строится следующим образом.

1. Исходная модель трехмерного графического объекта, заданная произвольно
   (посредством прямых, точек или их комбинаций), анализируется и преобра­
   зуется в унифицированное представление точками, затем система обращает­
   ся к соответствующей базе знаний и достраивает механизм вывода до полу­
   чения необходимых для решения задачи фактов.

2. Для получения требуемой последовательности разработанный блок обраща­
   ется к базе знаний и, в зависимости от задания, вновь перестраивает меха­
   низм вывода, после чего запускает его.

3. Получение требуемой последовательности осуществляется путем выборки
   необходимых фактов и их последующей подстановки в правила. В результа­
   те срабатывания правила в базу знаний добавляются новые факты, и процесс
   повторяется.

Реализованный механизм вывода использован также для решения ос­тальных поставленных задач, а именно:

• демонстрация формирования последовательности выполняемых пра­
  вил; отображение использованных и добавленных новых фактов в
  обучающем режиме раздела «Продукционные системы»

• контроль действий обучаемого в контролирующем режиме разделов
  "Геометрические преобразования" и "Продукционные системы".

В первом случае работа блока получения любого отношения практически не изменяется. Программа так же производит дополнительную настройку ме­ханизма вывода и формирует формализованное представление объекта, затем получение последовательности правил происходит по шагам с выдачей к ви­зуализации используемых преобразований и их взаимного расположения.

Во втором случае система действует несколько иначе. Механизм вывода сразу получает последовательность правил, после их интерпретации обработ­чиком получается результирующая матрица преобразований, на которую затем умножаются все точки объекта.

3. 2. Разработка программных средств

Для реализации поставленных задач первоначально была запрограмми­рована разработанная система хранения фактов и правил в базе знаний. Она была представлена как совокупность таблиц, составляющих единую базу зна­ний

Входная информация для блока получения продукций представлена в ви­де таблицы, в которой хранятся факты и правила, необходимые для работы ме­ханизма вывода продукционных систем.

Для обеспечения возможности многократного использования обучаемым одной и той же модели в процессе обучения, а так же для обеспечения провер­ки выполняемых заданий разработан блок перегенерации способа задания гео­метрических примитивов для приведения ох представления в системе к унифи­цированному виду. Он запускается каждый раз при выборе задания и приводит представление геометрических примитивов к виду, необходимому для работы механизма вывода. При этом в базу фактов могут быть внесены новые факты.

Для обеспечения гибкости разработанного механизма вывода его про­граммная часть содержит ряд перенастраиваемых параметров, которые изме­няются самой программой в процессе ее работы в зависимости от текущей за­дачи. Параметры настройки механизма вывода вынесены в простейшую по своей структуре базу знаний. База знаний разбита на два элемента, хранящихся в отдельных файлах. Информация в этих файлах храниться в формате таблиц Dbase, что значительно облегчает ее редактирование и дополнение при необ­ходимости. Процесс работы блока получения последовательности действий с базой знаний следующий:

1. После анализа задания, выданного пользователю, система выбирает из
   базы графических примитивов необходимые элементы, рассматривае­
   мые системой далее как факты.

2. Производится перебор существующих правил, хранящихся в базе пра­
   вил (rights. dbf, if_m. dbf, proc. dbf, param. dbf). На каждом шаге система
   пытается подставить в правило выбранные на предыдущем шаге фак­
   ты и в случае успеха выполняет соответствующую правилу процеду-

ру.

3) После нахождения последовательности элементарных геометрических
преобразований для совмещения примитива с соответствующим ему

элементом системы координат система выполняет преобразование, описанное в задании относительно соответствующего элемента систе­мы координат.

4) В последовательность геометрических преобразований добавляются действия для возврата примитива в исходное положение.

На базе разработанного механизма вывода построен блок обеспечения работы обучающего и контролирующего режимов раздела "Продукционные системы". При работе пользователя в этих режимах наряду с выводом на экран последовательности геометрических преобразований, выводятся выполненные правила, которые наглядно показывают процесс формирования требуемой по­следовательности действий. Использование механизма вывода для продукци­онных систем состоит в том, что на его основе производится выборка и взаим­ная ориентация необходимых в каждый конкретный момент элементарных геометрических преобразований.

Для обеспечения работы СДО в предусмотренных режимах был разрабо­тан блок выдачи заданий обучаемому. При этом задания, выдаваемые в разделе "Геометрические преобразования" не отличаются от заданий, выдаваемых в разделе "Продукционные системы". Задания обучаемому генерируются систе­мой случайным образом, что в совокупности с перегенерацией способа задания опорных элементов практически исключает повторы системы при повторной работе в прежнем режиме одного и того же пользователя. Кроме того, в блоке выдачи задания все возможные варианты задач распределены по уровням сложности. Так как большинство режимов СДО строится на выполнении имен­но практических заданий, через данный блок стало возможным устанавливать уровни сложности для работы с конкретным обучаемым по его желанию.