Введение к работе
Актуальность темы. Высокореалистичная визуализация динамических трехмерных виртуальных сцен в реальном режиме времени является одним из приоритетных направлений исследований при решении широкого класса задач на основе компьютерных методов анализа и обработки информации. Это обусловлено потребностью в адекватной визуализации в таких важных областях современной науки и техники, как имитационно-тренажерные комплексы управления сложными динамическими системами и системы виртуальной реальности.
Одной из существенных составляющих этой задачи является расчет освещенности виртуальных объектов, и чем более точным будет этот расчет, тем реалистичнее будут выглядеть синтезируемые изображения.
В настоящее время, несмотря на усилия, прикладываемые исследователями и в России, и за рубежом, вопрос расчета реалистичной освещенности высокополигональных динамических сцен в реальном режиме времени по-прежнему остается до конца не решенным. Это, в первую очередь, связано с большой вычислительной сложностью существующих методов и алгоритмов. Поэтому разработка новых эффективных технологий, методов и алгоритмов ускорения процесса обработки и визуализации графической информации и расчета освещенности высокополигональных динамических сцен в реальном режиме времени (использующих преимущества современной компьютерной техники) является актуальной научной задачей, на решение которой направлена данная работа.
Объектами исследования данной работы являются трехмерные виртуальные сцены и системы их визуализации, использующиеся в сложных технических комплексах и осуществляющие анализ, трансформацию и отображение видеоинформации в реальном режиме времени.
Цель диссертационной работы. Целью диссертационной работы является обеспечение высокореалистичной визуализации трехмерных виртуальных сцен в реальном режиме времени. Для этого в данной работе разработаны новые эффективные методы и алгоритмы расчета освещенности объектов высокополигональных динамических трехмерных виртуальных сцен на основе анализа и обработки видеоинформации в реальном режиме времени, а также на базе разработанных методов и алгоритмов созданы программные модули для системы визуализации.
Достижение поставленной цели осуществляется за счет решения следующих задач: 1. Разработка структур данных для хранения, анализа и обработки
информации о высокополигональных объектах трехмерных виртуальных
сцен с целью обеспечения эффективного расчета их освещенности.
Создание новых методов и алгоритмов повышения качества изображения визуализируемых виртуальных объектов при расчете освещенности с помощью шейдерной обработки в реальном режиме времени.
Разработка технологий, методов и алгоритмов вычисления освещенности в трехмерных сценах путем эффективной трассировки лучей на графическом процессоре.
Разработка методов и алгоритмов оптимизации программного кода, выполняемого на графических процессорах.
Создание на основе разработанных методов и алгоритмов программных модулей для системы визуализации трехмерных виртуальных сцен.
Методы исследований. При решении поставленных задач в данной работе были использованы методы аналитической геометрии и компьютерной графики, а также методы системного анализа, трансформации и визуализации информации.
Достоверность научных положений, сформулированных в диссертации, подтверждается корректным использованием математического аппарата и методов системного анализа, сопоставимостью теоретических и экспериментальных результатов обработки графической информации, а также положительными результатами апробации и тестирования предложенных технологий, методов и алгоритмов в системе визуализации для реального тренажерного комплекса в ФГБУ «Научно-исследовательский испытательный центр подготовки космонавтов имени Ю.А. Гагарина».
Научная новизна. Основные результаты работы являются новыми и заключаются в следующем:
Разработан новый метод расчета освещенности объектов виртуальных сцен при шейдерной визуализации, а также созданы алгоритмы моделирования визуальных свойств поверхностей виртуальных объектов в реальном режиме времени, основанные на этом методе.
Предложен новый метод статической оптимизации шейдерных программ, написанных на языке низкого уровня и использующихся для расчетов попиксельного освещения в реальном режиме времени.
Разработан новый метод цветовых карт для ускорения процесса обработки видеоинформации при выполнении расчета освещенности виртуальных объектов путем трассировки первичных лучей. Также созданы новые методы и алгоритмы трассировки вторичных лучей, включающие эффективное построение и заполнение регулярной сетки для динамических виртуальных сцен в реальном режиме времени на графическом процессоре (GPU) и трассировку лучей с использованием данной сетки также на GPU.
Предложена новая эффективная технология синтеза изображений высокополигональных виртуальных сцен в реальном режиме времени методом совмещенной визуализации с применением цветовых карт, использующая
современные компьютерные методы обработки графической информации.
Практическая ценность. Разработанные в диссертации технологии, методы и алгоритмы обработки и визуализации графической информации и расчета освещенности виртуальных сцен в реальном режиме времени реализованы в виде программных модулей. Эти модули могут быть использованы при реализации различных графических приложений и систем визуализации трехмерных сцен. К приложениям и системам такого рода можно отнести, например, системы виртуального окружения и системы визуализации для имитационно-тренажерных комплексов управления сложными динамическими системами, системы моделирования, виртуальные руководства и виртуальные лаборатории, современные компьютерные игры и т.д.
Положения, выносимые на защиту.
Метод совмещенной визуализации трехмерных виртуальных сцен.
Новый метод расчета освещенности объектов виртуальных сцен, алгоритмы моделирования визуальных свойств поверхностей виртуальных объектов путем шейдерной обработки с использованием предложенного метода.
Метод статической оптимизации шейдерных программ.
Метод цветовых карт и алгоритмы ускорения трассировки первичных лучей для эффективного расчета освещенности виртуальных объектов.
Методы и алгоритмы построения и заполнения регулярной сетки и трассировки вторичных лучей в реальном режиме времени для эффективного вычисления освещенности высокополигональных динамических виртуальных сцен.
Апробация. Результаты работы и материалы исследований докладывались, обсуждались и получили одобрение специалистов на следующих конференциях [10-13]:
Международной молодежной научной конференции "XXXVII Гагаринские чтения" (г. Москва, 2011);
2-ой международной конференции "Системный анализ и информационные технологии" (г. Обнинск, 2007);
VII международной научно-практической конференции "Пилотируемые полеты в космос" (Звездный городок, 2007);
Научной конференции, посвященной 45-летию выхода человека в космос (Москва, 2006).
Разработанные программные модули прошли апробацию в ФГБУ «Научно-исследовательский испытательный центр подготовки космонавтов имени Ю.А. Гагарина» и показали свое соответствие требованиям, предъявляемым в настоящее время к системам визуализации проблемно-ориентированных трехмерных виртуальных сцен.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликованы 13 печатных работ, из них 11 в соавторстве, 5 в изданиях из перечня ВАК [1-5].
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, пяти глав и заключения. Список использованной литературы содержит 62 наименования. Текст диссертации содержит 146 страниц машинописного текста, включая 76 рисунков и 11 таблиц.
