Введение к работе
Актуальность темы. Визуализация является самым лучшим и надежным способом просмотра и оценки уже конечного результата проекта перед самым началом работ на самом объекте. Именно визуализация расширяет возможности и максимально удовлетворяет представление об объекте. Архитектурная визуализация - это графическое трехмерное (3D) моделирование на компьютере в сфере архитектурного дизайна.
Архитектурное 3D моделирование позволяет увидеть, как будет выглядеть готовое здание еще на стадии проектирования, без чего в наше время невозможно представить разработку и сдачу того или иного проекта. Визуализация архитектурного сооружения необходима для того, чтобы еще до самого строительства на объекте дизайнер-архитектор мог увидеть внешний вид конструкции, учитывая при этом окружающую обстановку и будущие изменения в ней. Кроме этого, 3D визуализация и моделирование необходимо и для заказчика, чтобы было сразу видно, как примерно будет выглядеть еще даже не достроенный комплекс.
Существует много различных графических программ для 3D моделирования, например, такие как Maya, Houdini, Blender, 3ds Max. Последняя программа является лидером 3D моделирования, по крайней мере, в России. Доминирующую роль в цифровом представлении пространственных 3D объектов этих программ играет т.н. ТПЧ-модель - модель триангуляционной нерегулярной сети (Triangulated Irregular Network). Однао ТПЧ-модель является ресурсозатратной, как в смысле объема памяти, так и в смысле времени вычислений, затрачиваемого на создание индексных массивов и последующее вычисление по этим массивам взаимосвязей элементов. Поэтому актуальной является задача более эффективного кодирования пространственных 3D объектов.
Современный дизайн интерьеров также не обходится без 3D моделирования. Используя новейшие технологии в области 3D графики, удается добиваться реалистичных сцен, мало чем, отличимых от реальных фотографий. После того как будут спроектированы нужные формы и заданы объемы в виртуальном пространстве, следующим этапом 3D моделирования является наполнение предметов текстурами. Текстуры требуются стенам, полу, потолку, мебели, занавескам и т.д. Материалы для интерьерных (и не только) сцен можно получить тремя способами. Первый - это библиотеки текстур, создаваемые специально для этих целей различными фирмами и постоянно пополняющиеся. Второй источник получения текстур - это сканер. Его использование особенно актуально для получения текстур обоев и различных видов ткани. Когда же по некоторым причинам невозможно получить образец материала для сканирования, то тут поможет третий источник получения текстуры - цифровой фотоаппарат.
Использование текстурных карт является одним из основных способов получения фотореалистичного изображения и в то же время наиболее ресурсоемкой операцией по отношению к оперативной памяти компьютера. Это связано с тем, что наилучшего качества изображения можно добиться, применяя растровые карты большого разрешения, а это как раз и ведет к максимальному потреблению оперативной памяти. При непродуманном применении большого количества растровых карт ресурсы компьютера будут исчерпаны очень быстро. Кроме того, нельзя не принимать во внимание рост доли аутсорсинговых услуг, предлагаемых архитектурными студиями. Обеспечение возможности интенсивного обмена подобного рода информацией между
внешними исполнителями (аутсорсерами) ставит следующую актуальную задачу: снижение нагрузки на сетевую инфраструктуру таких предприятий за счет более эффективного кодирования и сжатия растровых графических изображений (ГИ).
Решению вышеуказанных задач и посвящена данная диссертационная работа.
Область исследования. Диссертационная работа выполнена в соответствии с пунктами 4 - «Разработка методов и алгоритмов решения задач системного анализа, оптимизации, управления, принятия решений и обработки информации» и 12 - «Визуализация, трансформация и анализ информации на основе компьютерных методов обработки информации» паспорта специальности 05.13.01 -«Системный анализ, управление и обработка информации (в науке и технике)».
Объектом исследования являются компьютерная графика; ГИ, их свойства и характеристики, формы представления и кодирования; модели данных пространственных 3D объектов и составляемых ими 3D сцен, их свойства и характеристики; моделирование процессов формообразования, анимации и проецирования 3D объектов.
Предметом исследования являются методы моделирования, анализа, синтеза и кодирования ГИ; адаптивное цветотоновое преобразование (АЦТП) ГИ; центроидное преобразование ГИ; структурно-цветовой анализ (СЦА) ГИ; тетрагональная регулярная сетевая (TRN) модель пространственных 3D объектов; методы проецирования, визуализации и рендеринга пространственных 3D объектов.
Цель работы состоит в проведении комплексных исследований для получения научно-обоснованных методических решений по разработке эффективных дискретных представлений и методов кодирования ГИ и пространственных 3D объектов, что будет способствовать реализации более высокопроизводительных алгоритмов обработки растровой и 3D график.
Для реализации поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
создать TRN-модель 3D объектов на основе использования полей деформаций пространства (ИДИ), учета отношений смежности между узлами регулярной сети и инциденций между смежными ее связями;
исследовать возможность оперирования 3D объектами на основе использования непространственных операций склейки узлов и замыкания TRN;
построить единый способ описания процессов формообразования и деформаций 3D объектов, как результат действия ИДИ на узлы TRN;
разработать алгоритм АЦТП для выделения кластеров в цветовом пространстве графического изображения, также провести анализ, выбор и реализацию оптимальной разделяющей функции критерия Байеса для АЦТП;
оценить влияние стохастических искажений на характеристики кластеров цветовых компонент (ЦК) в процессе АЦТП;
предложить методику СЦА изображений на основе их АЦТП и центро-идного преобразования;
провести экспериментальные исследования по оценке эффективности разработанных средств и методов в сравнении с существующими подходами.
Методы исследования. В работе применялись теоретические и экспериментальные методы исследования.
Теоретические исследования основаны на использовании функционального анализа, теории вероятностей и математической статистики, методов ма-
шинной графики, методов современной геометрии и топологии, методов обработки, анализа и кодирования изображений и других пространственных структур различной размерности, методов распознавания образов.
В экспериментальных исследованиях разработанных моделей и алгоритмов использовались методы моделирования пространственных структур, методы цифровой обработки ГИ, методы анализа, проектирования, кодирования и тестирования программного кода.
Достоверность и обоснованность полученных в работе результатов и выводов подтверждается результатами практического использования разработанных алгоритмов и программных средств, методик и технологий обработки ГИ, методик и технологий обработки пространственной информации, научными трудами и апробациями созданного научно-технического продукта на представительных научных форумах. Достовфность и обоснованность полученных в работе результатов и выводов подтверждена сопоставительным анализом разработанных и существующих математических моделей и методов.
Теоретические положения, выведенные в работе, обосновываются строгостью исходных посылок и корректным применением использованного математического аппарата при выводах аналитических выражений.
Достоверность экспериментальных результатов обеспечена их хорошей согласованностью с теоретически предсказанными характеристиками, а также выбором надежных критериев при построении алгоритмов обработки информации. Исходные данные при выполнении вычислительного эксперимента были тщательно верифицированы и дали хорошую воспроизводимость результатов на больших объемах экспериментального материала.
На защиту выносятся результаты разработки методики СЦА изображений на основе их АЦТП и центроидного преобразования, а также TRN-моделей данных 3D объектов и составляемых ими 3D сцен, в том числе:
TRN-модель для описания структуры поверхности пространственного 3D объекта с учетом ее топологических свойств: гладкости и возможных нерегулярных образований различного порядка;
результаты исследования возможностей оперирования 3D объектами на основе использования непространственных операций склейки узлов и замыкания TRN;
- способ унифицированного описания процессов формообразования и
деформаций 3D объектов, как результата действия ИДИ на узлы TRN;
метод анимационных преобразований 3D объектов, построенный на основе комбинирования пространственных операций трансляции и ротации TRN.
алгоритм АЦТП, предполагающий обработку изображения фильтром, кластеризующим значения ЦК, выделение кластеров этих компонент, распознавание цвета пикселей изображения по выделенным кластерам;
методика СЦА изображения, включающая его предварительное АЦТП с последующим формированием слоев (стратификацией) и распознаванием в этих слоях структурных элементов (СЭ) изображения на базе центроидного преобразования;
Научная новизна результатов диссертационного исследования, полученных лично автором, заключается в следующем:
- разработана TRN-модель данных 3D объектов, которая позволяет избе
жать многих принципиальных трудностей, возникающих при использовании
других моделей пространственных структур, а также является менее ресурсо-затратной и обеспечивает возможность получения более высокоуровневого иерархического представления пространственных объектов;
- предложен метод анимационных преобразований, основанный на ис
пользовании двух сопряженных координатных систем с комбинированием про
странственных операций трансляции, ротации и масштабирования TRN;
обнаружено, что путем установления прямого соответствия «тетроид-пиксель» TRN может рассматриваться как гибкий растр, образующий гибкую поверхность (flex-поверхность), благодаря которой получается качественное реалистичное изображение шероховатой текстурированной поверхности (аппликативной текстуры).
построен алгоритм АЦТП, как эффективная информационная технология, позволяющий за приемлемое время автоматически выделять кластеры в цветовом пространстве изображения посредством проекционного кластерного анализа ЦК изображений;
предложено для предварительной обработки ГИ использовать центроид-ную фильтрацию для эффективного стягивания цветовых кластеров изображения; установлены границы применимости такого фильтра путем оценки влияния стохастических искажений на характеристики кластеров ЦК;
разработана методика СЦА изображений на основе их АЦТП и центроидного преобразования, обеспечивающая высокую достоверность предварительной обработки ГИ с целью локализации и оценки их СЭ и высокую степень сжатия данных;
Практическая полезность работы. Предложенная методика обработки ГИ алгоритмом АЦТП позволяет снизить количество используемых цветов до минимума при сохранении цветоразличения, что обеспечивает редукцию тоно-цветовой шкалы без потерь. Кроме того, АЦТП позволяет вести подготовку цветных изображений для их дальнейшего СЦА с целью выделения различных компонент изображений. Посредством АЦТП удается значительно понизить уровень шумов и искажений в изображении, повысить его цветовые и тоновые контрасты, а также помимо улучшения качества удается значительно сжимать объем изображения. Возможность эффективного сжатия растровых ГИ будет способствовать более высокому быстродействию передачи их по сети, что позволит в наибольшей мере удовлетворять коммуникативным потребностям современных архитектурных студий либо в форме виртуальных предприятий, либо при реализации ими аутсорсинговых услуг.
Разработано программное обеспечение терминальной обработки данных о пространственных объектах, реализующее высокопроизводительные алгоритмы оперирования моделями данных пространственных 3D объектов, их представления и кодирования для повышения эффективности архитектурного моделирования. Разработанный программный комплекс поддерживает форматы данных интерактивных 3D моделей, применяемых в распространенных и используемых в настоящее время системах, обеспечивая тем самым совместимость с ними. Получены оценки эффективности разработанных средств и методов, подтверждающие целесообразность их использования для существенного повышения возможностей архитектурного 3D моделирования.
Реализация работы в производственных условиях. Полученные результаты использованы при реализации ряда проектов в ОАО «Ижмашпроект».
Созданные программные средства обработки ГИ и эффективного представления ЗО-моделей обеспечили существенное снижение уровня помех и искажений в ис-
пользуемых при визуализации фасадов текстурных картах, а также быструю загрузку и удобный просмотр в окне браузера интерактивных архитектурных ЗО-моделей.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на: 33-й, 34-й и 36-й международных конференциях «Информационные технологии в науке, социологии, экономике и бизнесе» (Украина, Крым, Ялта-Гурзуф, 2006, 2007 и 2009); X международной конференции по мягким вычислениям и измерениям (Санкт-Петербург, 2007); научной конференции-семинаре «Теория управления и математическое моделирование» (Ижевск, 2008); международном симпозиуме «Надежность и качество» (Пенза, 2009); международной научно-технической конференции «Многопроцессорные вычислительные и управляющие системы» (Дивноморское, Краснодарский край, 2009); молодежной научно-технической конференции «Интеллектуальные системы - 2009» в рамках конгресса по интеллектуальным системам и информационным технологиям «AIS-IT09» (Геленджик-Дивноморское, 2009); 36-й и 37-й международных конференциях «Информационные технологии в науке, образовании, телекоммуникации и бизнесе» (Украина, Крым, Ялта-Гурзуф, 2009 и 2010).
Публикации. Основные научные результаты по теме диссертации опубликованы в 17 научных работах общим объемом 4,4 п.л., авторский вклад -2,2 п.л. Автор имеет 3 научных труда в издании, выпускаемом в РФ и рекомендуемом ВАКом для публикации основных результатов диссертаций.
Структура и объем работы. Диссертация содержит введение, 3 главы, заключение и акт об использовании результатов работы, изложенные на 184 стр. машинописного текста. В работу включены 80 рис., 12 табл., список литературы из 155 наименований.
