Введение к работе
Актуальность темы. Проблема моделирования природных явлений и объектов является одной из наиболее сложных в компьютерной графике реатьного времени. Такие задачи характерны для сравнительно нового и быстро развивающегося класса трехмерных графических приложений для персональных компьютеров, которые принято называть системами виртуальной реальности.
В силу специфических особенностей, разработка таких приложений требует новых математических методов и алгоритмов, отличных от традиционных методов численного эксперимента, применяемых в системах научно-технических расчетов, научной визуализации и САПР. Коротко говоря, для воссоздания виртуальной реальности скорость моделирования и вывода изображения гораздо важнее гочносги, понимаемой как максимальное соответствие физической сущности явления. Это определяется тем, что конечной целью виртуальной реальности является создание иллюзии присутствия пользователя в реальном мире, а не изучение его свойств.
Действительно, высокая частота кадров не оставляет времени для точных расчетов. Например, для создания иллюзии плавного движения в транспортных тренажерах требуемая частота вывода изображения на экран составляет 30 кадров в секунду и вьппе. Очевидно, что за сотые доли секунды невозможно рассчитать динамику и оптические свойства сложных объектов, используя достаточно точные физические модели и вычислительные методы, даже на новейших мощных персональных компьютерах. Поэтому в трехмерной компьютерной графике реального времени часто применяются алгоритмы, основанные на моделях, которые являются грубым приближением моделируемого физического явления. Тем не менее, они позволяют получить требуемое субъективное качество визуализации.
В компьютерной графике моделируются оптические свойства динамических объектов, обычно представляемых в виде полигональных поверхностей. Поэтому качество визуализации определяется производительностью так называемого полигонального программно-аппаратного конвейера. В современных персональных компьютерах она составляет порядка сотни тысяч полигонов в секунду, что достаточно для реалистичного отображения твердых тел с фиксированной или анимированной (изменяющейся во времени) геометрией. Другое дело -природные явления и объекты. К ним относятся туман, дым, волны на воде, дождь, пламя, взрывы и многие другие. Их можно назвать нечеткими объектами, поскольку у них нет четкой пространственной границы, и отображению подлежит скорее объем, чем поверхность. Традиционное полигональное представление здесь зачастую неприменимо, так как приводит к выводу сотен тысяч полигонов в одном кадре, что непозволительно для приложений, работающих
в реальном времени. Вот почему в этой области достижений гораздо меньше и требуются новые
подходы.
Цель работы. Разработка общих методов моделирования природных явлений и объектов для
приложений компьютерной графики, работающих в реальном времени. Решение ряда
практических задач, возникающих при разработке различного рода тренажеров и компьютерных
игр.
Научная новизна. В работе дана классификация нечетких объектов с точки зрения их
визуализации. Разработаны методы моделирования дискретных и непрерывных нечетких
объектов. Предложенные методы покрывают все множество нечетких явлений и объектов,
представленных в классификации.
Практическая значимость исследования. Результатами работы являются алгоритмы в
программная реализация разработанных методов. Их практическая значимость подтверждается
использованием в ряде приложений, работающих в реальном времени:
в авиационном тренажере, установленном в Санкт-Петербургском аэропорту Пулково и в вертолетном тренажере Сыктывкарского аэропорта;
в судовом тренажере Таллинского морского порта;
в нескольких играх для персонального компьютера
Апробация работы. Реультаты работы были доложены на научных конференциях «Nondestructive Testing and Computer Simulations in Science andJEngineering-(St.PcteTsburg)»-^-199774998-H4999-годах; на межвузовских научно-технических конференциях «Неделя науки СПбГТУ» в 1995,1996, 1998 и 1999 годах; на Всероссийском научном молодежном Форуме «Интеллектуальный потенциал России - в XXI век» в 1995 году и на семинаре кафедры "Прикладная математика" под руководством д.ф.-м.н. Л.В. Петухова в СПбГТУ. Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, разбитых на подразделы, и заключения. Объем диссертации - 126 страниц MS Word 97. Работа иллюстрирована 26 рисунками. Список литературы содержит 59 наименований.
