Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ
Устойчивый рост сложности проектирования инженерных, строительных, архитектурных и конструкторских разработок в системах автоматизированного проектирования (САПР) привёл к необходимости повсеместного использования визуальных представлений проектных решений на промежуточных и финальных стадиях выполнения проекта. Применение подсистем получения визуального представления проектных решений позволяет повысить эффективность проектирования. Процедура оценки визуального представления проектного решения является одной из ключевых при выполнении проекта в САПР.
При выполнении конструкторских и инженерных проектов в машиностроении визуализация позволяет представить, как будет выглядеть деталь, разрабатываемое покрытие (лак, краска) или целый механизм до их изготовления. Оценка визуального представления проектного решения на ранних стадиях позволяет внести изменения в проект до начала физического изготовления проектируемого объекта.
В направлениях архитектуры и дизайна применение визуализации позволяет произвести оценку внешнего вида проектируемого здания, помещения, строения, сооружения или любого другого объекта на стадии формирования конструкции объекта, а также на более поздних стадиях, что позволяет получить визуальное представление объекта без необходимости его изготовления.
При получении визуального представления проектного решения с целью его оценки и принятия решения о необходимости внесения изменений в проект время, затрачиваемое на визуализацию, играет ключевую роль, поскольку характер и количество изменений, вносимых в проект, известны только после оценки визуального представления проектного решения. Это делает зависимым время выполнения каждой стадии проекта, где применяется визуализация, от времени выполнения визуализации.
Следует отметить возрастающую актуальность визуализации. Это связано с тем, что всё больше организаций используют визуализацию при выполнении проектов в САПР, а также с ростом требований к качеству и детальности визуального представления проектных решений. Данный рост требований привёл к резкому росту затрат времени, требуемого на получение визуального представления проектного решения. Существующие алгоритмы, методы и подходы, применяемые для финальной визуализации, позволяют решить задачу синтеза реалистичных изображений, однако требуют для решения этой задачи выполнения значительного количества вычислений, что и является основной причиной больших затрат времени, требуемого на получение финальной визуализации проектного решения.
На получение одного кадра финальной визуализации может потребоваться от нескольких десятков минут до 100 часов и более. Количество кадров - от 1 до нескольких тысяч (десятков тысяч). Время, затраченное на получение визуальных представлений проектных решений, может составлять более половины времени выполнения всего проекта.
К числу лиц, внесших значимый вклад в решение задачи повышения эффективности решения уравнения визуализации относятся: Жигалов И.Е., Ланцов В.Н.,
Востряков К.А., Галактионов В.A., Dutre P., Jensen W.A., Pharr М., Humphreys G., WhittedT..
Сложность моделей расчёта освещения, используемых в финальных визуализациях, увеличивается с каждым годом. В частности, усложняются модели расчёта освещения от источников света, взаимодействия света с материалами поверхностей, расчёта распространения света внутри материалов и передающих сред. Увеличивается количество объектов и примитивов в сцене. Это требует выполнения всё большего количества вычислений для получения результата визуализации, что приводит к росту временных затрат, требуемых на визуализацию.
Проблема существенного увеличения времени, требуемого на визуализацию проекта, приводит к увеличению сроков выполнения проекта и снижению эффективности проектирования. Решением данной проблемы являются:
сокращение затрат времени на получение визуального представления проектного решения.
сокращение общего количества процедур создания визуальных представлений проектного решения.
Следуя из вышесказанного можно сделать вывод о том, что применение систем визуализации в САПР востребовано, а задача повышения скорости визуализации в системах финальной визуализации для САПР является актуальной.
Целью данной диссертационной работы является повышение эффективности средств проектирования путём разработки методов, подходов и алгоритмов, позволяющих сократить время визуализации в сравнении с существующими алгоритмами, методами и подходами.
ДЛЯ РЕШЕНИЯ ПОСТАВЛЕННОЙ ЦЕЛИ необходимо решить следующие задачи:
Анализ существующих алгоритмов, методов и подходов организации процесса решения уравнения визуализации, ускорения трассировки лучей.
Разработка новых, более эффективных алгоритмов, методов и подходов численного решения уравнения визуализации, ускорения трассировки лучей.
Разработка информационного, математического и алгоритмического обеспечения системы визуализации для САПР.
Алгоритм определения областей проявления ступенчатого эффекта цветовых переходов на создаваемом изображении
Метод сохранения и повторного использования информации об освещении сцены источниками света.
Подход компактного представления kd-дерева для систем трёхмерной визуализации.
Метод кластерной трассировки лучей
Структура ПО САПР и алгоритмы реализации разработанных методов
Новые научные результаты, полученные в работе, состоят в следующем:
Предложен алгоритм определения областей проявления ступенчатого эффекта цветовых переходов на изображении, позволяющий существенно уменьшить объём данных, подаваемых на вход фильтра устранения ступенчатого эффекта цветовых переходов на создаваемом изображении по сравнению с аналогичными по назначению подходами, применяющимися в современных системах визуализации для САПР.
Предложен метод сохранения и повторного использования информации об освещённости трёхмерной сцены от источников света. Применение данного подхода позволяет ускорить процесс визуализации за счёт повторного использования координат пересечения лучей со сценой, полученных в ходе предыдущих визуализаций. Ускорение расчётов достигается благодаря использованию аппроксимации получаемых координат пересечения дополнительных лучей со сценой, что приводит к сокращению количества арифметических операций при нахождении точки пересечения луча со сценой. Разработанный метод предусматривает вычисление результата визуализации для каждого ИС в отдельности, что позволяет управлять вкладом каждого ИС в освещение сцены без необходимости повторного моделирования освещения сцены.
Разработан подход компактного представления kd-дерева для систем визуализации, позволяющий сократить затраты памяти на хранение kd-дерева.
Разработан метод пошаговой трассировки лучей с механизмом классификации, и динамическим объединением лучей в группы - метод кластерной трассировки лучей.
На основе предложенных алгоритмов, методов и подходов была разработана система визуализации для САПР, обладающая следующими, по сравнению с методами и подходами, применяющимися в существующих решениях, преимуществами:
Меньшее на величину от 14,8 до 20,6% время устранения ступенчатого эффекта цветовых переходов в создаваемом изображении.
Расчёт освещения, приходящего от ИС, выполняется быстрее на 15-18%
Меньший (до 44%) объем памяти, требуемой для хранения структуры kd-дерева.
Большая, до 30%, скорость визуализации с использованием предложенного компактного kd-дерева.
Большая, на величину до 170%, скорость визуализации с использованием метода кластерной трассировки лучей.
Сравнение производительности осуществлялось на одинаковых тестовых сценах и одном и том же аппаратном оборудовании.
Полученные результаты исследований в виде программного обеспечения внедрены в производство на предприятии OOO''AC-Студия". АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ
Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на следующих семинарах и конференциях:
VIII Международная научно-техническая конференция "Физика и радиоэлектроника в медицине и экологии ФРЭМЭ'2008", Россия, г.Владимир - г.Суздаль, 2-4 июля 2008г.
IX Международная конференция "Высокопроизводительные Параллельные Вычисления на Кластерных Системах", Россия, г.Владимир, ВлГУ, 2-3 ноября 2009г.
Результаты исследований по теме диссертации опубликованы в 7 работах, из них 3 публикации в изданиях из перечня ВАК.
СТРУКТУРА И ОБЪЁМ РАБОТЫ Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка использованных источников. Общий объём диссертации 197 страниц, в том числе 178 страниц основного текста, 14 страниц списка литературы, 1 страница приложения. Диссертация содержит 83 рисунка и 14 таблиц.
