автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Исследование и разработка методов стереовизуализации аналитических машинных моделей

Введение

Глава I. Проблемы геометрического моделирования и визуализации динамических трехмерных сцен

1.1. Математические модели объектов и сцен

1.2. Формирование и преобразование моделей

1.3. Динамика объектов и сцен

1.4. Визуализация моделей

1.4.1. Методы проецирования и типы изображений

1.4.2. Методы вывода изображений на экран и особенности развития технических средств визуализации графических станций

1.5. Выводы

Глава 2. Методы и алгоритмы визуализации структурно-аналитической модели

2.1. Моно изображения

2.1.1. Очерковые линии поверхности

2.1.2. Линия пересечения поверхностей

2.1.3. Окраска освещенных поверхностей

2.1.4. Определение видимости

2.1.5. Построение теней

2.2. Стерео изображения

2.2.1. Цветовое разделение пары изображений

2.2.2. Оптические затворы

2.3. Выводы

Глава 3. Использование средств визуализации динамических трехмерных сцен в практических системах 76 3.1. Автоматизированная система формирования объекта в пространственной сцене 76 3.1.1 Описание системы 76 3.1.2. Алгоритмы визуализации геометрических объектов в сис- 81 теме

3.2. Автоматизированная система проектирования деталей гидравлики

3.2.1. Описание системы

3.2.2. Алгоритмы визуализации в системе

3.3. Комплекс компьютерных стерео игр

3.3.1 Описание комплекса

3.3.2. Описание игры "Воздушная акробатика"

3.3.3. Описание стерео игры "Летающие шары"

3.3.4. Особенности визуализации стерео игр

3.4. Анализ программ преобразования и визуализации поверхностей 2-го порядка в практических системах

3.5. Выводы

Глава 4. Стерео визуализация в медицине

4.1. Проблемы создания компьютерного стерео эндоскопа

4.2. Формирование трехмерной машинной модели для сложных 108 поверхностей

4.3. Библиотека поверхностей компьютерного стерео эндоскопа

4.4. Стерео визуализация поверхностей, описываемых уравнениями высших порядков

4.5. Выводы 125 Заключение 126 Литература 128 Приложение 137 Приложение. Библиотека поверхностей 2-го порядка в автоматизиро- 138 ванной системы формирования объекта в пространственной сцене Приложение. Изображение изделия в автоматизированной системе про- 154 ектирования деталей гидравлики

В XXI век человечество пришло с высоким уровнем развития цифровой вычислительной техники с быстрой цифровой связью и широко открывающимися возможностями для использования этих достижений. Однако необходимо отметить, что в области вычислительных технологий, охватывающих наш многообразный трехмерный цветной мир, мы сделали совсем немного.

Только в 1961 году впервые в мире была продемонстрирована графическая станция [1], на которой в интерактивном режиме американским ученым Айвоном Сазерлендом была показана обработка графической информации с вводом и выводом изображений контуров деталей. Это явилось началом бурного развития машинной графики.

Однако первоначальный энтузиазм инженеров, что теперь нет преград на пути использования вычислительной техники для решения многих инженерных графических задач, скоро прошел. Как только стали разрабатывать практические задачи, то появился целый ряд проблем, таких как недостаток математического обеспечения моделирования реальных объектов, отсутствие методов их обработки в ЭВМ, визуализации и вывода изображений на экраны и печать. А. Сазерленд предложил только подход для решения этих проблем через обработку точек изображений, а это требовало для решения практических задач огромных вычислительных ресурсов, отсутствующих в то время у реальных вычислительных машин.

Далее пути развития машинной графики пошли в трех направлениях. Вначале внимание было уделено развитию технических средств [2.5]. Получив определенные результаты в технике, и поднявшись на новый уровень, больше стали заниматься математическими средствами моделирования пространственных объектов [6. 14]. Затем появились проблемы в программировании, и внимание переключили на разработку программных инструментальных средств [15.21], графических стандартов [18, 22] и параллельного программирования [23. 27]. Этот многоуровневый итерационный процесс идет до настоящего времени. Достижения на одном из этих путей дает толчок для ускорения получения результатов в других направлениях.

В 70-х и 80-х годах в СССР появился ряд научных школ в области теорий геометрического пространственного моделирования [28.53]. Несмотря на большое число теоретических разработок эти работы имели весьма слабое практическое использование в основном из-за отсутствия качественной вычислительной техники. В это время зарубежные исследователи больше внимания уделяли практическому использованию вычислительной техники в проектировании [54. 62] и при этом достигли значительных успехов в обработке двухмерной графической информации. В геометрическом пространственном моделировании за рубежом пошли по пути упрощенных пространственных каркасных моделей, представленных векторами, треугольниками, с последующей обработкой линейных матриц, что более просто и с позиций вычислительной математики. Однако визуализация каркасных моделей для реалистического представления потребовало разработки сложных математических алгоритмов сглаживания и окраски поверхностей реальных объектов.

Такой путь был выбран благодаря быстрым успехам дальнейшей разработки вычислительных технических средств, таких как процессоры (увеличение их быстродействия и числа команд), память (увеличение ее объема и разрядности). Тем не менее, качественные результаты можно было получить только на дорогостоящих графических станциях при дорогом программном обеспечении.

В настоящее время все это заставило вспомнить об аналитических пространственных моделях, которые представляют собой компактные математические записи не плоскостных, а кривых поверхностей, исключить аппроксимацию поверхностей и ускорить преобразование аналитических моделей, представленных в виде математических формул в памяти ЭВМ в машинном виде и продолжить исследования в практическом использовании аналитических моделей.

Аналитические модели открывают возможности реализации моделирования сложных динамических трехмерных сцен, отображение их на экране дисплея и больших экранах, анализ сцен приобретает все большую популярность при решении с помощью вычислительной техники многих задач пространственного моделирования и его отображения, таких как диспетчерское управление движением реальных объектов (летательных объектов, судов, автомобилей); тренажеров для летчиков, водителей судов и автомобилей; систем проектирования пространственных объектов и сцен с отображением технологии изготовления и сборки; систем моделирования различного рода молекулярных и химических процессов, например, горение и взрыв в замкнутом пространстве, окисление и т.п.; особое направление занимает создание видео компьютерных фильмов, компьютерных стерео игр и в медицине, где мы имеем дело с живыми существами, которые достаточно точно описать не можем, а значит, и моделировать тоже.

Необходимо отметить, что живое существо динамично, а это усложняет процесс моделирования. Возникает вопрос, зачем нам нужно моделировать живое существо и достаточно точно. Ответ виден сразу, мы хотели бы учить молодых врачей оперировать не на живом существе, а на достаточно точной компьютерной модели, не больно и не опасно и всегда можно исправить ошибку. Пока что врачи учатся по книгам, лекциям, на умерших и на живых.

Основную задачу XXI века в области использования вычислительной техники для медицины мы' видим в развитии математических моделей, приближенных к реальным объектам, вычислительных программных и аппаратных средств, обеспечивающих режим реального времени при моделировании реальных процессов и технологий использования этого моделирования для создания тренажеров виртуальной реальности для хирургов и применения их в телемедицине.

Данная работа является продолжением серии работ, впервые представленных Дегтяревым В.М. в 1972 году на Всесоюзной конференции в Минске по автоматизации проектирования в области моделирования трехмерных сцен и обработки их на ЭВМ [63]. В основу работ был положен структурно-аналитический метод моделирования трехмерных объектов, предложенный Дегтяревым В.М.[64]. Особенностью этого метода является непосредственное представление модели в ЭВМ в виде аналитических выражений сложных поверхностей, описывающих объекты, с последующей их обработкой и визуализацией без плоскостных аппроксимаций.

Этот новый подход потребовал исследований и разработки целого комплекса математического и программного обеспечения преобразований формы, динамики и визуализации трехмерных объектов и сцен.

Системы виртуальной реальности, работающие с объемными динамическими сценами, заставили искать новые пути ускорения вычислительной обработки изображений для отображения сцен в реальном времени, несмотря на появившиеся в настоящее время мощные вычислительные технические средства.

При разработке графических систем наибольшие затраты приходятся на исследования в области создания математического и программного обеспечения трехмерных задач. Геометрические модели, алгоритмы и программы, как правило, являются промышленным секретом фирм. Вычислительная технология - одна из самых ценных технологий.

Структурно-аналитическая модель была ориентирована на поверхности 2-го порядка, далее ее развитие получила аналитическая машинная модель, ориентированная на супер-поверхности, описываемые алгебраическими уравнениями 2-го и более высших порядков [65].

Аналитическая машинная модель, по сравнению с широко используемыми и известными в настоящее время моделями, занимает в среднем на порядок меньше памяти в ЭВМ, соответственно быстрее обрабатывается. Однако визуализация аналитической машинной модели имеет сложные алгоритмы и большее число вычислений, чем, например, в широко используемых векторных моделях. Тем не менее, общая обработка сцены для аналитической машинной модели происходит в несколько раз быстрее, чем в других моделях при равных вычислительных мощностях графических станций. В области визуализации аналитической машинной модели имеются проблемы разработки математических методов, алгоритмов и программ для значительного ускорения процесса визуализации и получения меньшего времени обработки стереоскопических динамических сцен, поэтому тема настоящей работы весьма актуальна.

Целью работы является исследование и разработка математических методов и алгоритмов стерео визуализации аналитической машинной модели трехмерных сцен с учетом динамики в реальном времени в направлении развития моделирования реальных объектов аналитическими методами для решения задач виртуальной реальности.

Научные положения, выносимые на защиту: концепция и методология использования методов визуализации аналитической машинной модели для различных целей; разработка методов визуализации аналитической машинной модели сложных по форме геометрических объектов; разработка вычислительных алгоритмов процессов визуализации аналитической машинной модели; использование алгоритмов визуализации аналитической машинной модели при создании программного и аппаратного обеспечения автоматизированных графических систем различного назначения.

4.5. Выводы

Разработанные методы и алгоритмы формирования, преобразования и стерео визуализации аналитических машинных моделей, создание библиотеки супер-поверхностей открывают путь для создания компьютерного стерео эндоскопа, который, используя аналитические модели, может быстро передавать на значительные расстояния описания сложных геометрических пространственных моделей и получать на удалении стереоскопические изображения. Это дает возможность телемедицине использовать виртуальную реальность (например, трехмерное моделирование в хирургических тренажерах) для проведения телеконсультаций и дистанционного обучения врачебного персонала.

126

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе проведенных исследований и разработок получены следующие научные и практические результаты:

1. Проведен анализ уровня развития вычислительных аппаратных, математических и программных средств для решения задач трехмерного моделирования и стерео визуализации динамических сцен виртуальной реальности и определены актуальные задачи, решающие проблемы создания современных вычислительных информационных технологий в области техники, игр и медицины.

• Моделирование реальных динамических сцен на ЭВМ является сложным алгоритмическим процессом, требующим разработки специализированных математических, программных и технических средств;

• Прогнозируемое увеличение мощности вычислительных средств в ближайшие годы не позволит существенно ускорить обработку трехмерной геометрической информации при существующих методах обработки;

• Существующие геометрические процессоры не решают проблемы обработки аналитических моделей, а ориентированы на обработку векторов;

• Математическое и программное обеспечение трехмерной графики значительно отстает от технического развития высокопроизводительных графических станций;

• Новый качественный скачок в развитии графических станций, ориентированных на задачи моделирования, обрабатывающих трехмерную геометрическую информацию, в настоящее время возможен при создании эффективного математического и программного обеспечения, ориентированного на обработку аналитических геометрических машинных моделей и их визуализацию.

2. Разработаны следующие методы визуализации структурно-аналитической модели:

• Метод контурных изображений;

• Метод окрашенных поверхностей с полутоновым изображением;

• Метод построения изображений с тенями от нескольких источников освещения;

• Метод построения стерео изображений.

• Предложено использование вышеизложенных методов визуализации структурно-аналитической модели для различных целей автоматизированного проектирования, компьютерных игр и компьютерного стерео эндоскопа.

3. Для вышеизложенных методов разработаны вычислительные алгоритмы визуализации структурно-аналитической модели.

4. Создан комплекс программ визуализации структурно-аналитической модели для следующих экспериментальных вычислительных графических систем:

• Автоматизированная система формирования объекта в пространственной сцене;

• Автоматизированная система проектирования деталей гидравлики;

• Комплекс компьютерных стерео игр.

5. Проведена экспериментальная проверка разработанных методов, алгоритмов и программ; выявлена их высокая эффективность.

6. Начаты работы в области информационных технологий для телемедицины. Разработанные методы и алгоритмы формирования, преобразования и стерео визуализации аналитических машинных моделей, создание библиотеки суперповерхностей открывают путь для создания компьютерного стерео эндоскопа, который, используя аналитические модели, может быстро передавать на значительные расстояния описания сложных геометрических пространственных моделей и получать на удалении стереоскопические изображения. Это дает возможность телемедицине использовать виртуальную реальность (например, трехмерное моделирование в хирургических тренажерах) для проведения телеконсультаций и дистанционного обучения врачебного персонала.

7. Определены следующие пути использования и дальнейшего развития полученных результатов:

• Разработка тренажеров (авиационных, судовых, автомобильных, медицинских и т.п.) со стерео визуализацией на базе персональных компьютеров;

• Разработка аппаратных графических ускорителей визуализации аналитических моделей для графических станций.

128

1. Павлидис Тео. Алгоритмы машинной графики и обработки изображений. /М., Радио и связь, 1986.

2. Горелик А.Г., Штейнбук Р.И. Канонические способы задания геометрических объектов типа деталей машин и построение проекций с помощью ЭВМ. //Вычислительная техника в машиностроении, Минск, ИТК АН БССР, 1970, март.

3. Скотт П. Геометрии на трехмерных многообразиях. //М., Мир, 1986.

4. Ярославский Л.П. Введение в цифровую обработку изображений. /М., Сов. радио, 1979.

5. Елшин Ю.М., Назаретова Н.А. Создание графической и текстовой документации в диалоге с ЭВМ.//М., Машиностроение, 1988.

6. Завьялов Ю.С. Применение вычислительных систем для решения сложных задач проектирования в машиностроении. //Вычислительные системы, вып.38, Новосибирск, ИМ СО АН СССР, 1970.

7. Завьялов Ю.С. О теории обобщенных кубических сплайнов. Вычислительные системы 1990, №137, стр.58-90

8. Кинематические методы конструирования технических поверхностей. //Тематический сборник научных трудов. Труды МАИ, Вып.270, М., 1973.

9. Леус В.А. Перспективное изображение трехмерных непрозрачных объектов. //Вычислительные системы, вып.50, Новосибирск, ИМ СО АН СССР, 1972.

10. Математика и САПР (в 2-х книгах). /М., Мир, 1988.

11. Осипов В.А. Теоретические основы формирования системы машинной геометрии и графики. ИМ., МАИ, 1983.

12. Рвачев В.Л.Дуценко Л.Н. Описание проекций тел.// В кн.: Современные вопросы математики и механики и приложения. //М., МАТИ, 1983.

13. Стасюк А.И. Однородные параллельные процессоры.//Кибернетика, 1987,N

14. Воллум Ч. Будущее параллельной обработки данных: программное обеспечение. //Электроника, М., Мир, 1989, N 2.16