автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.13, диссертация на тему:Организация вычислительных устройств для генерации текстур и спецэффектов в системах визуализации окружающей обстановки

г .т-1 _

Ъ 8 1 9'?

АКАДЕМИЯ НАУК УКРАИНЫ ИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ МОДЕЛИРОВАНИЯ В ЭНЕРГЕТИКЕ

На правах рукописи

КОБА Юрий Анатольевич

УДК 681.327

ОРГАНИЗАЦИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ ДЛЯ ГЕНЕРАЦИИ ТЕКСТУР И СПЕЦЭФФЕКТОВ В СИСТЕМАХ ВИЗУАЛИЗАЦИИ ОКРУЖАЮЩЕЙ ОБСТАНОВКИ

Специальность 05.13.13 — Вычислительные машины, комплексы, системы и сети

Автореферат на соискание ученой степени кандидата технических наук

КИЕВ — 1992

Работа выполнена в Донецком политехническом институте.

Научный руководитель - кандидат технических наук, доцент Башков Е.А.

Официальные оппоненты - доктор технических наук Чгасюк А.И., кандиЛат технических наук Третьяков С.И.

Ведущая организация - 'Институт кибернетики Ь.М. Глушкова АН Украины.

Завдта состоится ^еО^сц^ 1993 г. в часов на

заседании специализированного совета Д016.61.01 Института проблем моделирования в энергетике АН Украины по адресу 252680, г.Киев-164, ул.Генерала Наумова, 15.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института проблем моделирования в энергетике АН Украины.

Автореферат разослан "л ""

___j дез г.

Ваш отзыв в двух экземплярах, заверенный печатью, просим присылать но указашюму адресу.

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат технгческих наук

Э.П.Семагшш

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРНО!1А РАБОТЫ

Актуальность. Одной из задач машинной графики япляогся генерация изображений б роалььом времени (РВ), которая используется в различных областях применения: авиатренагюры, модели, зранне динамических сцэн виртуального пространства, для решения задач обработки изображений и распознавания образов, САПР, синтеза мультфильмов, рекламы и пр.

Системы генерации изображений в БВ должны обладать большой производительностью для создания у наб: здателя иллюзии плавности движения. Обеспечение режима РВ предполагает частоту смегч кадров 2Б-40 Гц. При этом за время одного кадра (25-40 Ми) система визуализации должна успеть сформировать синтетический образ сцены, которая по-возможности максимально бы соответствовал реальности. Причом п последние (-оды на системы подобного родр налагаются повышенные требования к адекватности отображения синтезируемой сцены, что приводит к увеличению деталировки изображения, генерации теней, текстур, спецэффектов и пр. Все эта вызывает необходимость дальнейшего повышения производительности систем генерации. Поэтому представляется актуальной задача разработки методов и вычислительных устройств, которые позволяли бы осуществлять генерацию изображений с наименьшими вычислительными затратами. Решение этой задачи, привидет к увеличению сложности и информативности генерируемых сцен при одинаковой производительности.

В связи с этим, целью диссертационной работы является разработка и исследование вычислителе чх структур для генерации текстур и спецэффектов в системах визуализации окружающей обстановки, работающих в рожиьи РВ и обеспечивающих увеличение информативности генерируемых сцэн.

Методы исследований. В работе использованы методы аналитической геометрии, линейной алгебры, элемнты математического ана.лза, теории вероятностей и математической статистики, а также логические ¡1 схемотехнические метода анализа и синтэзч вычислительных устройств. Исследование правильности теоретических положений разработанного инкргаментного метода синтеза текстур лрс золилось имитационным моделированием.

Научная ноьизна работы заключается в следующем.

1. Разработан инкремонтнцй мэтод синтеза текстур, который но . 1.уьы1ь>ш№ с базовым на порпок производительнее. Проведено исследо-ьання метода при линейной, кусочно-линейной и параболической аппроксимации координаты ъ.

2. Предложены методики подготовки параметров текстурирования при линейной, кусочно-линейной и параболической аппроксимации координаты г, основанные на минимизации абсолютных ошибок аппроксимации.

3. Предложен способ организации конвейерной вычислительной системы для разложения- в растр с одинаковой производительностью как интерполированных по цвету, так и текстурированных граней.

4. Предложены и исследованы способы организации пиксельных процессоров (ПП) конвейерной вычислительной системы при линейной и параболической аппроксимации координаты г.

Практическая ценность работы заключается в разработке структур вычислительных устройств для генерации текстур и спецэффектов:

- структуры конвейерной вычислительной системы, .позволяющей генерировать как интерполированные по цвету, так и текстурированные грани с одинаковой производительностью;

- организации видеопроцессора системы визуализации, включающей наряду с оуфером кадра п текстурных карт, что позволяет генерировать в одном кадрэ до п типов текстур;

- структур ПП при линейной и параболической аппроксимации координаты г;

- структур вычислительных устройств генерации графических образов (ГО), заданных матрицей интенсивности и цепным кодом;

- структуры специализированного процессора, предназначенного для использования в составе геометрического процессора и позволяющего выполнять визуализацию огней с учетом 'психофизиологического восприятия человеком точечных источников.

Работоспособность разработанных структур проверена имитационным моделированном и испытанием макетного образца. Новизна предлагаемых технических решений подтверждается авторскими свидетельствами.

Реализация и внедрение результатов. Полученные результаты использованы при разработке макетного образца специализированного процессор;'- генератора синтезированного видеосигнала и принципов

организации и функционирования аппаратно-микропрограммной части оптической системы посадки (ОСП) на Московском машиностроительном заводе им. А.И.Микояна, что подтверждено соответствующим актом. Соответствующим актом подтвервдено также внедрение результатов диссертационной работы в учебный процесс в-Донецком политехшг зеком институте. Кроме того результаты исследований используются в roc- . и хоздоговорной научно-исследовательской работе, проводимой на кафедре ЭВМ Донецкого политехнического института.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на третьем научно-техническом семинаре "Математическое обеспечение систем с машинной графикой" (г.Устиной, 1986 г.), на четвертом научно-техническом семинаре "Математич.ское обеспечите систем с машинной графикой" (г.Суздаль, 1986 г.), на пятом научно-техническом семинаре "Математическое обеспечение систем с машинной графикой" '(г.Ижевск, 1988 г.), на Всесоюзной научно-методической' конференции "Педагогические и психологические аспекты компьютеризации образования (высшая школа)" (г.Рига, 1988 г.), на международной научной конференции для студентов и молодых научиых работников "Приложение компьютерных технологий в производстве" (г.Варна, Болгария, 1989 г.), на XIV научно-методической конференции "Компьютерные технологии обучения и управления вузом" (г.Донецк, 1992).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 19 печатных раоот.

Обьем и структура диссертации. Диссертационная работа содержит введение, пять глав и заключение, изложенные на 146 страницах машинописного текста, 57 рисунков, 19 таблиц, список литературы, содержащий 112 наименований, и приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается эктуальность решаемых в диссертационной работе задач и указывется лопгесквя взаимосвязь глав.

В первой главе проводится анализ существующих подходов к решению задач повышения степени реализма синтезируемых сцеп. Ввиду большого разнообразия подходов к данной проблеме в качестве предмета исследования в данной диссертационной работе выбраны только метол» генерации текстур и некоторые виды спецэффектов, а именно - отбора

«епиа точечных источников света (огней) и масштабирование ГО, заданных либо матрицей интенсивности, либо цепным кодом.

В целях формализации решения задачи твкстурирования трехмерных поверхностей в режиме РВ дается ее общая постановка.

Задана мировая система координат (Хк|Дм,гм), в которой независимо друг от друга находятся объект твкстурирования и наблюдатель (рис.1). Топология, и геометрические размеру объекта известны и заданы в системе координат объекта (ХД.Й) с началом в

то ..ш Р =1хл,у .г ]. Положение глаза наблюдателя' Р„=(х„,у„,г 3

О О О О Н п п л

совпадает с началом системы координат наблюдателя а

направление взгляда - с осью Ън. Сцена освещается рассеянным светом н 1 точечными источниками света 14, 1г, ... , • I,, находящимися на расстояниях гл, г2, ... , от начала координат системы (Х^Д^.г^). Н.шраьл1)ния на точечнио источ1шки известны и заданы

век эрами п<, п2, ... ., п^ Кроме того независимо от мировой системы координат ) задана в общем случае п-мерная система коорди-

нат (11,4,3 ...) текстурной карты или шаблона текстуры. В каждый

—* *

момент времени известны векторы ?й=[х0,у0,й0] и Р„=1хн,Ун,гн). Задача синтеза текстурированного объекта разбивается на два этапа. На первом производится проецирование п-мврной текстурной карты в систему координат обьокта (Х.Г.Й) с точкой привязки Ри=(хп,уп,гп1, а на втором - проецирование трехмерного текстурированного объекта на плоскость обзора наблюдателя, которая расположена перпендикулярно направлению взгляда на фиксированном расстоянии й. Обычно в системах синтеза ограничиваются некоторым прямоугольным окном обзора, называвши экраном. В англоязычной литературе описанный процесс называется "тпррХгщ" (отображение, картирование), поэтому, вследствие отсутствии устоявшихся русскоязычных терминов, в дальнейшем для простоты процесс отображения текстурной карты на объект твкстурирования и проецирование последнего на экран будем назнвать "мэгашнгом".

Задача синтеза в реальном времени заключается в формировании посльдовательнооти кадров изображений объекта со скоростью, достаточной для обеспечения иллюзии плавности движения. При этом по-возможнооти максимально должна быть соблюдена адекватность смодели-роигишой и заданной в виде шаблона текстуры.

Fue.I. Постановка задачи текстурирования поверхности чодвигаю го трехмерного объекта

Из анализа существующих методов и вычислительных структур юкстурировашш поверхностей и спецэффектов предложена классификация методов текстурировании гю способу задания текстурной карты и целям текстурирования. Наказано, что в литературе отсутствуют количественные оценки трудоемкости известных методов текстурнрованил, а также способы и устройства, позволяющие отображать исходный ГО в произвольном формате без использования операций умножения-деления. Показано такаю, что известные пиксел-последовательные архитектуры не ошг. гзируыт текстуры в режиме РВ вследствие невозможности адаптации существующих методов синтеза текстур под конвейерный принцип организации подобных систем. Анализ систем генерации огней показывает, что ни одна из них ну отображает точечные объекты с учетом психофизиоло-I ¡носких ооСенъостой зрительной системы человека.

На основании сделанных выводов сформулированы цель и задачи исслидований.

Во второй главе проводится исследование трудсемкостей семи известных методов текстурирования с целью определения наиболее оптимального с точки зрглшя минимума вычислительных затрат.

Для оценки каждого из методов предложено использовать критерий, характеризующий степень увеличения трудоемкости рассматриваемого алгоритма текстурирования но отношению к базовому, в качестве коюрого выбран алгоритм генерации грани с закраской Гуро:

К1

где К'- трудоемкость 3-го алгоритма текстурирования и=1..7), Кг- трудоемкость базового алгоритма.

По детального анализа алгоритма и о учетом среднестатистических 11окг'"а1олей синтезируемой сценц получена формула для определения трудоемкости алге; шла генерации грани по методу Г'уро:

К1'-- кЧ!* . (к, »41^)11, + ^ , (Г)

1Дь козМшшешн, определяющий тело операпий для расчета

овдэлышх ч'.клой базового алгоритма,

II, - высота сроцн.н.'татис-шчеисой грани.

По ?нЦ|Я.п п-ныЗ м^тодик^ о1!|од»лиш'ся 1рудо')шсогти и критерий а лл.-1 иы'йицумшк ы.-!т;.д >ь •гчк.турця.ишнм: - дли и] ям .г:' п'мш.шгм

к2н; + (к9+4к4)Н;Г^"7^ '

где ^ - коэффициента, игре делящие число отюрпний для ртчг отдельных частей алгоритма прямого мэппинга, 1Тт - максимальный размер шаблона текстуры; - для обратного мэппинга

К;= к'н* + + к,1 , .

а1= ^н; +(к>4к4)н1+ кЧгкп

Knt + №9+4к4)Н, + к,

где к' - коэффициенты, определяйте число операций для рагчм' отделышх частей алгоритма обратного мэппинга; для двухпроходного мэппинга

К'« k2H* +(k9+4k4)(irm-1)Hf+t(Um-1)2(k;+kl+2ks)HUm-))kSk;i ,

at_ Нка+4к4)(ит-1)н(4С(цт-1 )'(к;^4гк,)мия-1 )kj4k'1

к2н; + (ка+4к4)Hf V к, +2кп

где к'] - коэффициента, определяющие число операций для расчет'.] зтдэльшх частей алгоритма двухпроходного мэшинга;

- для двухэтапного мэппинга .

Ktp= 2 min (1С1, К\ К1),

а1р= 2 min (ad, а1, а1),

- для шишечного мэппинга

Кь - k^H* + 4кД +■ k^ 2К,

кгН* + 4k4Hf+ !;,i2k0 а- - --------

< (к„+41;.4 )Ht < К,

'де к^' - icoPtf'fWinenT, определявший число оперший для пакпц я«т

••«■ьчюивнасти в каждой точке;

- для структурного мэшинга

Г'= к^Н* + р(к;+4к4)Нг + ^(кЧг^) ,

к^Н* + р(кЧ4к4)Н( + (12(кЧ210

а"= -1---— ,

к2Н' (кэ+4к^)Н, к, +2к5

| (! - коьффиди<эит уменьшения текстурной-карты;

- для статистического токстурирования

К* = Н,к(Ь--1) (к® + 1/к*),

к2Н^(кэ+4к4)Н,+к1+2кг. ' ¡■.до к - число матриц пространственных средних второго порядка,

I - число отображаемых полутонов,

к"- коэффициенты, определяющие число операций для расчета стдилпшх частой алгоритма статистического текстурирования.

Для проверки правильности полученной теоретической оценки 1 руд^е-мкооти базового алгоритма были выполнены серии экспериментов, заключающиеся в генерации различных по форме граней с неизменной шнлцадью II*. По каждой серии вычислены ьыборочше средние КБС, хирактерпующио трудоемкость генерации среднестатистической грани. Дли сравнения с полученными значениями из детального анализа алюрнтма были определены коэффициенты и из (I) вычислена

теоретическая трудоемкость Кг генерации грани.

Как ьндно из рис.2а, получешшо экспериментальные данные всегда мек шо теоретических, что связано с методикой расчета коэффициентов к4 ¡с^, которая уч.,гньаот наихудший варианты прохождения алгоритма. Следовательно выражение (I) можно использовать в качестве верхней оценки трудоемкости алгоритма генерации грани с закраской Гуро. Долуитимо предположить, что выведенные соотношения для расчетов трудоимкоетей рассмотренных алгоритмов текстурирования при определении проходимых коэффициентов по вышеуказанной методике также дадут пер.«»« оценку трудоемкости.

Анализ графиков (рис.гб.в.г) показива&т, что наиболее и наиме--

К.тыс.оп

. <(0 8о <го • <0

<г

2>(0

(СО

:,Н{.кю 80

150

Ь)

т.пак

\1

V-—

- ----- -

600

159

г)

м

-и

">2

500

Рис.2. Графики зависимостей параметра а для различии* алгоритмов текстурировотя

о

nun трудоемким яшыотся соответственно статистическое текстурировн Ш16 и обратный мэгшинг. Использование прямого и двухпроходного мэп цинга затруднительно в связи с резким увеличением вычислительны? затрат при уменьшении размеров текстурирувмой грани и увеличении размеров текстурной карты. Структурный подход эффективен при гокотурировшши граней с Hf>200 единиц растра.

В третьей главе осуществляется разработка и исследование никрвмеитного метода синтеза текстур.

Предлагаемый метод осуществляет текстурирование и разложение граний в растр по-сегмэнтно. Под сегментом понимается горизонтальный участок линии сканирования от левого до правого ребра грани. Окончательные выражения для определения координат текстурной карты U и V с учетом расчета их последующих значений через предыдущие имеют вид:

U = ü + К + А.+ J,

L+i V • L V

. V = V + F. + D.+ Q, i+i i i i

где параметры it,A ,Pt и вычисляются также инкрементным способом: К = К + К , Р = Р + Р ,

l+l I ' 1+1 I *

А = А + К , D. = Д f Р .

Параметры К, J, Р и Q являются постоянными для данного сегмента: 6з б 2

Р = D-, Q = -(В+Еу.+Р),

öx • Сх

dz Сз

К = /-, J= -(А+Ву+С),

öx öx

где у по определению сегмента также является константой, ök

- - отношение приращений по координатам х и 2 для данного

бх

сегмента,

А.В.С.В.ЕДУ"! - параметры токстурировашя данной грани. Начальные значения параметров определяются для левого края сегмента по формулам

"л = <AVBV°>^ . 7л = <Схл+ЕУл+р>2л .

Кл - ^л • рл - Рхл •

Ал ' А2л • сл * •

Принцип инкрементности можно распространить и на . нахождение

уровня текстурной карты S для "т1р"~мэппинга1 предполагающего ■многоуровневое кодирование шаблона текстуры:

S = S + R' + Т', R = R + Т .

t+4 l 1 f . l

S„ = Nz* , P, = Hz ,

л . л ' л л

öz öz

где R = 2N-, T = R--,-T' = T/2. Параметр Ii является константой

öx Ох

для текстурируемой грани.

Требуемый адрес выборки L. уровня детализации текстурной карчи

находится из соотношения:

L= lo^do^S ).

Изложенный метод предполагает линейную аппроксимацию координаты г. При этом абсолютная погрешность линейной аппроксимации определяется из выражения

ши({л) = (./¡7 - -АГ)2. (2)

где ал и гп - значения координаты г на левой и правой границе сегмента.

Методика подготовки параметров текстурирования при кусочно-линейной аппроксимации координаты г основывается на разбиении сегмента на подсегменты и определении очередной правой границы под-сегмента из (2) при заданных параметрах допустимой погрешности ^ и левой границы '

Кусочно-линейная аппроксимация координаты г значительно повышает точность текстурирования. Однако по мере уменьшения допустимой погрешности количество подсэгментов будет увеличиваться. Применение параболической аппроксимации координаты а существенно уменьшает требуемое количество подсегментов вследствие того, что, как показали экспериментальные исследования, ее абсолютная погрешность на порядок меньше линейной.

Окончательные соотношения для расчета координат текстурной карты и, V и уровня детализации Б при параболической аппроксимации координаты & имеют вид:

и = и + А 4- Б + 0 , С = 0 + К + А.Ч К.

1+1 и I I > * 1+4 II V *

А„,= \ + А: - а:,.= а: ^ к.

В ,= В + ьГ, к = к + к.

и * 1+1 I

Начальные значения параметров и сегментные константы определяются из соотношений:

Чл = <Ахл+вУл+0>гл А„ = кг.„.

А1

л

А"л'

дал<А+вУл+0>-

°л = Ахлил'

кл= ^л' J= 2Ъ2 (А+Ву+С),

К = 2АЬ.

».= 2Ь х +■ Ь + Ь_

Л 2 Л Я 1

Соотношения для расчета параметров текстурирования для координаты V имеют вид:

V. --V. + В. .+ Е + Г.

1*-4 I I I I

В - Б + В.',

I V '

в;«- о; +р.

Е1+ О-

Р. = Р.+ Р.+ П'+ Р,

V Р'

7л = ^л^л^'л •

V »V

рл= р*л-Р = гъъ2,

О = 2Ь (В+ЕучЕ).

Расчет уровня текстурной карты при параболической аппроксимации координаты имеет свои особенности, связашше с необходимостью расчета киадратэ значения координаты й:

б. = 5. + Н + Г.,

\ + 1 I- I V*

Т = т.+ т,

N. = II. + Т\

К. = Л + М+ Т.' + п.,

V"» I Ь I I I 1

М - М. + N ,

гм - 2Т ,

V отл-

V-

т =

Т*= 2ТМ.

л л"

К1.: •Кгщ'иггн »эрп^элтетооВ ачпрокпимгл'.ии Ь , Ъ ,

Ъ определяются по

ь = ---(---

ь „ _ _ ас~ап .)г

' хс-хп хл~хс 52 ^

г.-а х 5а г -ъ

Ь - 2П - -----2-3-)),

хс-хп хл~хс ех хс-хп где индексами обозначены координаты левого (л), правого (п) края сегмента и некоторой средней точки (с), принадлежащей сегменту.

Исследования показали, что точное определение координат средней точки, которые минимизировали абсолютную погрешность аппроксимации £п, является трудновыполнимой задачей. Поэтому предложена методика расчета параметров текстурирования при параболической аппроксимации координаты г, предполагающая предварительный расчет и формирование, таблиц г^ и г'.

Сравнение разработанного инкрементного метода синтеза текстур с обратным мэпгашгом показывает, что предложенный метод на порядок производительнее базового.

В четвертой главе разрабатывается организация системы синтеза текстурировонных изображений в режиме РВ.

Конвейер из ш ПП (рис.3) начинается начальным процессором (НП), куда из геометрического процессора (ГП) поступают начальные параметры для левого края сегмента в определенном порядке в виде> так называемых "ярлыков". Система предполагает наличие трех видов "ярлыков": "ярлык-цвет", "ярлык-текстура" и "ярлык-визуализация". Обработка ведется по каждой сканирующей строке. Геометрический процессор формирует цепочку из "ярлыков-нвета" и "ярлыков- текстуры" для данной сканирующей строки и последовательно загружает ее в ПП, который в свою очередь проталкивает ее в ПП , ПП1 в ПП2 и т.д. Каждый ПП обрабатывает поступающий на его вход "ярлык" и передает прообразованные данные далее по конвейеру. Цепочка из "ярлыков" для текущей сканирующей строки завершается "ярлыком- визуализацией", при обработке которого производится выталкивание на общую шину полученных в процессе расчета данных в видеопроцессор (ВП). Такими данными для каждого ПП являются параметры цвета ПСС'СВС для "ярлыка-цвета" или

ВУС

от П1

un

ЕУ^ 1Ш,

Г

БУ2

ПП 2

-'

БУ„

ПП,

I

Гис. 3. Организация системы синтеза изображений в реальном врамэни

БК

К • г

п

Д 1

ïï ____—.

— + 'ПС •

ЦАП~[—

ПАП 1—

H

»

G

Inn. i. Оргэллз'шиа тдеопрмрссорп оистчмн визуализации

UVB для "ярлыка-текстуры".

Для обработки поступающей информации разработана структура ВП фис.4), особенностью организации которого является п текстурных карт, что позволяет отображать в одном кадре до п типов текстур.

Разработаны такая структуры Ш прл линейной и параболической аппроксимации координаты а, предполагающие обработку каждого "ярлыка" в течение шести микротактов. Показано, что Ш с параболической аппроксимацией координаты и может функционировать в режиме линейной аппроксимации, что позволяет варьировать различным» режимами аппроксимации ь зависимости от сложности г,цены и стошни эагр.узки конвейера.

Дли оОесш'геннл точности расчета координат текстурной карты, которая ни должна превышать порогового значения на правей границе сегмента, потребуется г разрядов дробной части операционной части (.ОУ) НП, которые находятся из соотношений

- для линейной аппроксимации координаты z

гд = SEdo^dhl)) f I, -дпп пираболичоской аппроксимации координаты г

Гд

n[log_,t(Nf1)(2N+l)]J + 1,

где N - максимальный размер растра экрана по горизонтали, Е(К) - целая часть числа К.

Производительность предложенной системы синтеза оценивай тел по формуле •

t " - 6mt

К ., _5--,

611, t

где kc число-генерируемых граней за кадр, Н, - средняя высота грани, t - время визуализации одного кадра, t - длительность одного микротакта, Hi - число строи растра экрана. При длительности такта 100 но ожидаемая прюшкмитмп нскш. s> t наяр доставляет спите 6UK) i ранг it со сродной runorott 10 стр ж рштра и зьншо 050 граней при с|.члни» i чи.»*» ЮГ) »ч|>сж пли (.¡коло fur.oo граней с. ну,|ч>. \м--1j 1 4Uiл пи ir.'ii и. с 1'и такта rpiii онп i к :шн нп-шкму

повышению производительности особенно при малых значениях средних высот граней Н(.

Теоретические положения инкрементного метода, ' структуры ГШ, оценки выбора разрядной сетки ПП и методики подготовки параметров текстурирования проверены имитационным моделированием.

Определен состав и основные технические требования к ГП. Геометрический процессор (рис.6) состоит из сценарного процессора и сегментора.

Производительность сегментора оценивается по формуле рсег= ксН!к '

где к. - количество элементарных операций для расчета параметров текстурирования для одного сегмента. График зависимости производи-чльности сегментора от длительности ыикротакта конвейера ПП изображен на рис.7а.

Пропускная способность шиш "ГП-НП" оценивается по формуле

1 ш

У=п (---),

вх 6t 1;в

где пм - количество входных шин ПП (пвх=6 для ПП с линейной аппроксимацией координат" а и пВ1=8 для ПП с параболической аппроксимацией координаты г). График зависимости пропускной способности шины "ГП-• Л" от длительности микротакта конвейера ПП изображен на рис.76.

В пяюй главе разрабатывается способ и устройства для масшта-бирсзания ГО, заданного матрицей интенсивности и цепным кодом, а также организация специализированного процессора для визуализации огней.

Для ГО, заданного матрицей интенсивности с размерами М«И элементов, задача масштабирования заключается в его преобразовании в произвольное иоле с геометрическими размерами ДХ»ЛУ элементов растра.

Процесс преобразования ГО разбивается на два этапа. На первом, подготовительном, этапе осуществляется расчет коэффициентов увеличения каждого элемента исходной матрицы ГО. Для этого необходимо произвести линейную интерполяцию диагонали прямоугольника со сторонами по горизонтали и вертикали соответственно ЛХ и М. Аналогичные действия меоОчолимо произвести для расчета коэффициентов увеличения по Ю'.л-'/В'нйгр 7. но для /фгюсугашткэ оо оторочат соответственно N и

от длительности микротакта ПП

База данных

Рис.6. Структура геометрического процессора

Р, Р«»

Р.раь

1

1 - ЛЧ" = Н0 2 - ЛУ » 20 5-ДУ«200

\х 3

{ - «о 2 -

Ъ - ЬЧ -1(00

Л*, "икс

<0

50

90

450

о) «)

Гис.7. График зависимости производительности сегментора (а) и пропускной способности шины "ГП-ШГ (б) от длительности микротакта ПП при линейной (ДА) и параболической (ПА) аппроксимации координаты г,

Р,м<\рЭ оп/сек

У, Мслоб/сеч

4, «с

Рис.8. График зависимости р=Г(АХ,Ш при а) М=7, N=8, С) М^ЮО, Н=100

ЛУ. Очередной.шаг интерполяции выбирается при анализе знака оценочной функции Р: если на 1-м шаге Р^, то делается шаг по X и Р =Р -ДУ. В противном случае осуществляется шаг по У иР1}1^»ЛХ.

На втором этапе производится собственно масштабирование каждого элемента в соответствии с рвсчиташшми коэффициентами. Описанный подход удобен при генерации нескольких ГО, исходные матрицы иненсив-ностей которых по размеру совпадают - например, символов. Предложена организация вычислительного устройства по изложенному способу.

При масштабировании ГО, заданного цепным кодом, интерполяции подвергается каждый цепной код, который в зависимости от габаритных размеров исходного (ДМ,¿И) и генерируемого ГО (ДХ.ДУ) либо повторяется при увеличении изображения, либо пропускается при его уменьшении. Под габаритным размером в данном случае понимается максимальный размер в пикселах, который занимает ГО в одном из направлений. При этом используется модификация известного метода оценочной функции. Если ДМ и ДХ - габаритные размеры исходного и генерируемого ГО по координате X, то при положительном приращении справедливы

следующие соотношения:

Рх= Г , +- ДХ, если Р*?0, то шаг +Х и

Р" = Р* - ДМ, (3)

причем соотношение (3) выполняется до • тех пор, пока спонопил функция Р* не изменит свой знак. Аналогично для шага -X:

Р"= Р* , - ДХ, если Р"<0, то шаг -X и Г* 4 Ш.

Оценочные функции по координате У имеют вид:

- для -У: -

г?= К-* -

если ¥'<0, то шаг -У и Ру - Ру + АН;

и 1.+1 1. *

- для

Ру= Р" , I- ДУ,

I 1-1 '

если Ру>0, то шаг и - АН.

Возможны случаи увеличения и уменьшения Го или увеличения (уменьшении; по одной из координат X или У. Предложена </ргшшп;шия

вычислительного устройства по данному способу.

Анализ производительности вычислительного устройства масштаби-. рования ГО, заданного матрицей интенсивности, показывает, что ш; сравнению с базовым достигается р-кратное увеличение проиводитель-ности:

10(М-1 >(N-1 ) +■ АХАХ

Р= -.

ДХ+АУ+2(М+Ы) + АХАУ

Величина р колеблется в пределах от I до 10 (рис.8).

Известные системы генерации точечных источников света (огней) Н9 учитывают явления иррадиации, которое обуславливает рост кажущегося размера точечного огня в зависимости от силы света этого источника. В целях устранения этого пробела рйзработан алгоритм визуали-эагш точечных объектов, учитывающий явление иррадиации. Предложена также организация специализированного- процессора, предназначенного для использования в составе геометрического процессора и позволяющо ■ го выполнять визуализацию огней с учетом психофизиологического восприятия человеком точечных источников.

В заключении приведены основные научные и практические результаты диссертационной работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

I. Выполнена классификация и анализ известных методов синтеза текстур. На основании количественных оценок выбран алгоритм, трудоемкость которого минимальна по сравнению с другими - обратный мэппинг.

2 . Разработан и исследован в зависимости от способа аппроксимации координаты ъ инкрементный метод синтеза текстур, исключающий операцртт деления. Показано, что по сравнению с базовым предложенный метод на порядок производительнее.

3.'Предложены методики подготовки параметтюв текстурировашш при линейной, кусочно-линейной и параболической аппроксимации координаты в, основанные на минимизации абсолютных ошибок аппроксимации.

4. Разработана конвейерная вычислительная система, позволяющая генерировать как интерполированные, но цвэт.у, так и текстурировянные гршш. Особенность предложенной системы визуализации заключается н

том, что производительность разложения в растр интерполированных и текстурированных граней одинакова, чего не удавалось достичь ни в одной из известных систем синтоза изображений в реальном времени.

б. Предложена организация видеопроцессора системы визуализации, включающая наряду с буфером кадра п текстурных карт, что позволяет генерировать в одном кадре до п типов текстур.

6. Разработаны структуры и алгоритмы функционирования ПП при линейной, кусочно-линейной и параболической аппроксимации координаты z.

7. Получены оценки разрядности ОУ ПП при линейной и параболической аппроксимации координаты а. Выведены аналитические соотношения для расчета разрядности дробной части ОУ ПП. Показано, что разрядность ОУ ПП при линейной и параболической аппроксимации практически одинакова. Полученные оценки подтверждены имитационным моделированием.

8. Выполнена оценка производительности предложенной вычислительной системы синтеза изображений. При длительности такта 100 не ожидаемая производительность за кадр составляет свыйе 6500 граней со сродней высотой 10 строк растра и свыше 650 граней при средней высоте 100 строк или около 16500 граней в секунду. Уменьшение длительности такта приводит к значительному повышению производительности особенно при малых значениях средних высот граней Н,.

9. Разработан способ масштабирования'ГО, исключающий операции умножения-деления. Предложена его модификация для ГО, заданных матрицей интенсивности и цепным кодом.

10. Разработаны вычислительные структуры для масштабирования ГО, заданных матрицей интенсивности и цепным ко^ом. Новизна технических решений защищена авторскими свидетельствами.•

11. Разработан и внедрен на Московском машиностроительном заводе им.А.М.Микояна специализированный, процессор, позволяющий генерировать огни с учетом психофизиологических особенностей восприми человеком точечных объектов. Показано, что данный спецпроцессор )бладаэт достаточной для этого производительностью, универсальность» i гибкостью.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Аноприенко А.Я., Коба Ю.Л. Программная генерация динамических изображений на базе микро-ЭВМ. - В кн.: Математическое обеспечение систем с машинной графикой. Материалы 3-го научно-технического семинара. Устинов, 1985. C.II6-II7.

2. Аноприенко Л.Я., Коба ГО.А., Телепа Т.В. Графическое расширение языка Бейсик на базе международного графического стандарта. - В кн.: Математическое обеспечение систем с машинной графикой. Материалы 5-го научно-технического семинара. Ижевск, 1938. - с.23.

3. Аноприенко А.Я., Башков Е.А., Коба Ю.А., Кухтин A.A. Использование в учебном процессе наглядных компьютерных моделей функционирования микропроцессоров. - В кн.: Педагогические и психологические аспекты компьютеризации образования (высшая школа)". Тезисы докладов

конференции. Рига, 1988. - с.152-153.

4. Аноприенко Л.Я., Коба Ю.Л., Телопа Т.В. Графическое расширение языка Бейсик на базе международного графического стандарта. -Донецк, 1988.- 19с.: ил.- Деп. в Информприбор, JH436 от 16.II.88.

5. Башков Е.А., Коба Ю.А. Исследование трудоемкости алгоритмов текстурпрования трехмерных поверхностей. - Донецк, 1991.- 34с.: ил.-Деи. в Информприбор, J& 5019 от 17.07.91.

6. Башков В.Д., Коба Ю.А. Текстура я текстурирование в синтезе изображений. - Донецк, 19Э1.- GOc.: ил.- Деп. в Информприбор, № 498I от 23.02.91.

7. Пашков Е.А., Аноприенко А.Я., Кобп Ю.А., Мальчова Р.В. Аппаратно-программный комплокс генерации изображений в реальном времени. /7 Вопросы радиоэлектроники, серия ОВТ, внп.2, 1991. - с.77-84.

•8. Башков Е.А..Сербиненко A.B., Аноприенко А.Я., Коба Ю.А. Програг/мно-ышармтинй комилвкг; средств машинной графики для микро-■ )Ь'Ь!. - В кн.: Математическое обеспечение систем с машинной графикой. Тезисы доклад'н 4-го чаучно-техяпческого семинара. Суздаль, 1906, •-МУ--19.

Э. Бшлков' Е.А. .AHt'itpiK'iiKo А. Я., Сербиненко A.B., Коба Ю.А., К.уггин A.A., Из ';пмта разработки средств машинной графики для иптп^Ипг.аиии учебного нроцточ. - Г; кн.: Проблемы высшей школы, 1>и»я<;, то-й. - o.irn-jiG.

К>. Farne»1 1г,./|., Mir.npii'iuir! A.n., Коба Ю.А., Кухтин A.A. Перс-

пективы применения стереографических методов проектирования в машиностроении.— В кн.: Приложение компьютерных технологий в производстве. Тезисы докладов международной научной конференции для студентов и молодых научных работников. Варна, Болгария. 1989. — С. 19.

11. Башков Е. А., Коба Ю. А. Инкременгный метод синтеза текстур в режиме реального времени.— В кн.: Компьютерные технологии обучения и управления вузом. Тезисы докладов XIV научно-методической конференции. Донецк, 1992,— С, 45—46.

12. Башков Е. А., Аноприенко А. Я., Коба Ю. А., Кухтин А. А., Мальче-ва Р. В., Чухонцева Т. В. Система синтеза изображений в реальном времени для испытательных стендов.— В кн.: Гибридные вычислительные машины и -сомплексы, вып. 15, 1992,— С. 72—76.

13. Коба Ю. А. Использование текстур в еннтезе изображений.— В кн.: Компьютерные технологии обучения и управления вузом. Тезисы докладов XIV научно-методическей конференции. Донецк, 1992.— С. 48.

14. А. с. 1550572 СССР. МКИ5 009 01/08. Генератор символов / Коба Ю. А., Аноприенко А. Я., Башков Е. А.— Опубл. 16.03.90.

15. А. с. 11547022 СССР. МКИ5 С0&01|/16. Устройство для отображения кривых на экране электронно-лучевой трубки. / Аноприенко А. Я., Коба Ю. А.— Опубл. 28.02.90.

16. А. с. 1363297 СССР. МКИ4 00901/28. Устройство для отображения графической информации на экране цветного телевизионного дисплея. / Аноприенко А. Я., Коба Ю. А,—Опубл. 30.12.87.

17. А. с. 1700573 СССР. МКИ5 С09В9/02. Устройство для имитации визуальной обстановки в тренажере транспортного средства. / Аноприенко А. Я., Башков Е. А.„ Коба Ю. А., Кухтин А. А.—Опубл. 12.05.92.

18. А. с. по заявке 4749645 от 31.07.9il. Устройство для имитации визуальной обстановки в авиатренажере. / Аноприенко А. Я., Башков Е. А., Камзолов Ю. П., Коба Ю. А., Кухтин А. А., Мальчева Р. В., Медведев В. И.

19. А. с. по заявке 5007924 от 13.10.92. Устройство для отображения графической информации на экране цветного телевизионного дисплея. / Коба Ю. А.

Поди, в печать 11.12.92. Формат 60X84'/16- Бумага типограф. Офсетная печать. Усл. печ. л. 1,39. Усл. кр.-отт. 1,62. Уч.-изд. л. 1,44. Тираж 120 экз. Заказ 9-645. 252680, г. Киев-164, ул. Генерала Наумова, 15

ДМАПП, 310050, Донецк, ул. Артема, 96