Введение к работе
Актуальность проблемы. Компьютерная графика и сетевые технологии — наиболее стремительно развивающиеся области в современной компьютерной индустрии. Современные технологии позволяют решать такие задачи, решение которых было невозможно еще несколько лет назад. В прошлом компьютерная графика успешно решала проблемы, связанные с локальным отображением и обработкой виртуальных моделей. С бурным развитием сетевых технологий, в частности, сети Интернет, появилась насущная проблема передачи трехмерных данных в таких областях как архитектура, искусство (виртуальные музеи), развлечения (сетевые игры, визуальные спецэффекты в видеофильмах), визуализация научных данных, дистанционное образование, электронная коммерция. Кроме того, на стыке сетевых технологий и трехмерной графики появились такие принципиально новые области как удаленная телемедицина, основанная на передаче трехмерных моделей пациентов, и трехмерные виртуальные миры в качестве социальных сетей.
Сложности, связанные с интеграцией этих двух технологий, во многом связаны с тем, что, с одной стороны, современные методы ЗЭ-графики позволяют обрабатывать модели очень больших размеров, описывая трехмерные сцены с высокой детализацией. С другой стороны, трехмерные данные, как и все типы мультимедийной информации, в исходном виде могут занимать очень большой объем, необходимый для ее хранения и передачи.
Особенностью описания трехмерных данных по отношению к аудио и видео является то, что объем, необходимый для хранения трехмерной сцены или модели при увеличении ее качества в п раз, пропорционален Sqh (где So — исходный размер), в отличие от аудио (Sq) или видео (Sq12). То есть при сравнимом масштабировании качества размер ЗЭ-сцен существенно возрастает по сравнению с аудио- и видеоданными. Кроме того, векторный формат, в котором, как правило, описываются трехмерные модели, позволяет конечному пользователю просматривать отдельные ее части в небольших масштабах, что делает проблему точности описания еще более острой.
Поскольку важность перечисленных проблем постоянно возрастает в областях современной компьютерной графики и сетевых технологий, тематика проводимых в диссертационной работе исследований и полученные результаты являются актуальными и имеют практическую ценность.
Цель диссертационной работы состоит в разработке методов, математических моделей, алгоритмов и средств сжатия, ориентированных на потоковую передачу трехмерных анимированных моделей с постоянной связностью.
Задачи исследований. Для достижения поставленной цели в работе сфор-
мулированы и решены следующие задачи:
Анализ существующих методов сжатия, определение их основных характеристик, классификация, а также оценка степени применимости методов для сетевых приложений.
Разработка алгоритмов, методов и средств сжатия трехмерной анимации с ориентацией на потоковую передачу по сети.
Разработка программного обеспечения сжатия трехмерной анимации на базе разработанных методов.
Разработка клиент-серверного программного комплекса вещания ЗО-ани-мации.
Методы исследований. При решении поставленных в диссертации задач использованы методы теории кватернионов и дуальных кватернионов, линейной алгебры, вейвлет-анализа, элементы теории графов.
К основным научным результатам, представляемым в диссертационной работе и выносимым на защиту, относятся:
Результаты анализа и сравнения существующих стандартов, а также исследовательских методов сжатия трехмерной анимации; оценка применимости существующих методов к сетевым приложениям.
Метод сжатия трехмерной анимации на основе двумерного вейвлет-разло-жения (экспериментально показано, что вейвлеты Хаара дают наилучший коэффициент сжатия по сравнению с другими рассмотренными типами разложений).
Алгоритмы, модифицирующие этапы метода сжатия, основанного на кластеризации: алгоритм кластеризации ЗЭ-моделей на основе жадного алгоритма и балансировки (позволяет ускорить этап кластеризации на 14%—46% для рассмотренных тестовых моделей по сравнению с методом FAMC-LD), альтернативный метод решения задачи назначения кластерных весов вершин (переопределенная система уравнений заменяется обычной линейной), алгоритм замены аффинных кластеров на строгие (заменяет афииные преобразования с 12 коэффициентами на строгие с 7 для некоторых кластеров), алгоритм адаптивного поиска множества значимых соседних кластеров (улучшает показатели сжатия до 32% для рассмотренных моделей по сравнению с неадаптивным методом), алгоритм сжатия списка шагов квантования (улучшают качество сжатия до 55% для рассмотренных моделей по отношению к тому же методу, не использующего сжатие шагов).
Результаты анализа влияния входных параметров методов на выходные по
казатели сжатия, а также сравнения описанных методов между собой и
методом FAMC-LD из стандарта MPEG-4. Экспериментально показано, что
метод, основанный на кластеризации, лучше адаптируется к уменьшению
размера блока кадров, чем FAMC-LD.
Практическая ценность и реализация результатов работы. Научные результаты, полученные в диссертации, доведены до практического применения при построении прототипа системы распределенной виртуальной лаборатории, в том числе, при выполнении госбюджетного научно-исследовательского проекта «Разработка распределенного виртуального технопарка на базе вузов России» в рамках аналитической ведомственной целевой программы Минобрнауки РФ «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010 годы)». Результаты диссертации внедрены в компании ООО «Вимком-Оптик» при построении сетей интерактивных мультимедийных услуг, группе компаний «Традиция» для разработки сетевых виртуальных сред тренажерного назначения, а также использованы в учебном процессе кафедры ВСиС МИЭМ в рамках дисциплины «Новые информационные технологии».
Достоверность полученных в диссертации результатов и выводов подтверждается:
согласованностью с имеющимися результатами других авторов;
корректностью выводов математических зависимостей в описании алгоритмов сжатия и оценке их качества;
практической реализацией при создании прототипа распределенной системы виртуальной лаборатории.
Апробация работы. Основные результаты, изложенные в диссертации, докладывались на:
научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ (Москва, 2005-2008);
международной конференции 3DTV CONFERENCE 2008 (Стамбул, Турция, 2008);
российско-австрийском научном семинаре «Визуальный компьютинг в фундаментальной, академической и прикладной науке и исследованиях» (Москва, 2009);
заседаниях кафедры ВСиС МИЭМ.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 работ, в том числе 1 публикация в журнале, рекомендованном ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и списка литературы из 68 наименований. Диссертация содержит 170 страниц текста, 118 рисунков и 9 таблиц.
