автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.18, диссертация на тему:Синтез виртуальной среды с рекурсивным делением плоскости изображения и объектного пространства

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1 Предложен и реализован в компьютерной системе визуализации "Альбатрос" эффективный механизм растрирования многоугольников, позволяющий с помощью простой рекурсивной процедуры находить пикселы экрана, принадлежащие многоугольникам.

2 Предложен и реализован в компьютерной системе визуализации "Альбатрос" эффективный механизм многоуровневого маскирования многоугольников, основанный на том, что многоугольники (или их части), попавшие в участки экрана, накрытые ранее более близкими к наблюдателю многоугольниками, могут не обрабатываться. Такой механизм увеличивает производительность системы и позволяет эффективно обрабатывать сцены с большой глубинной сложностью.

3 Исследована, разработана и реализована в видеопроцессоре компьютерной системы визуализации "Альбатрос" архитектура с высокой степенью однородности, в виде конвейера однотипных клеточных процессоров. Однородность архитектуры упрощает изготовление, настройку и тестирование системы, повышает показатели надежности, позволяет строить различные варианты системы, удовлетворяющие различным требованиям производительности и качества.

4 Предложена и исследована виртуальная техника визуализации для компьютерной системы "Ариус".

5 Предложен и исследован новый метод динамической коррекции дисторсии для компьютерных систем визуализации, который требует меньше вычислений в сравнении с известными методами и адаптирован к аппаратной реализации.

6 Предложен и исследован способ описания объектов трехмерных сцен базовыми поверхностями и функциями возмущения. В качестве базовых поверхностей использовались поверхности второго порядка (квадрики), в качестве функций возмущения - поверхности второго порядка, а также скалярные функции нескольких переменных. Показано, что можно достичь хорошей гладкости поверхностей и компактного описания объектов, используя ограниченное число базовых и возмущающих функций, без каких-либо ограничений на форму поверхностей. Таким образом, поверхности свободных форм можно отображать без предварительной аппроксимации их большим количеством многоугольников и патчей, не имея проблем с заданием границ, кривых полупространств и т.д., присущих параметрическому заданию патчами.

7 Предложен и разработан эффективный многоуровневый алгоритм сканирования отображаемого объема и простые критерии оценки принадлежности поверхностей к тестируемому объему. В процессе поиска вокселов, содержащих в себе участки поверхности объекта, формирующие изображение, алгоритм осуществляет обход пространства по четверичному дереву, листья которого являются корнями двоичных поддеревьев. Предложенный алгоритм пригоден к отображению, наряду с поверхностями, также и объемных областей с таблично заданными в трехмерной системе координат значениями параметров типа прозрачности, цвета, данных томографии и пр.

8 Разработан и промоделирован алгоритм генерации рельефа местности. Традиционные способы, используемые для задания рельефа местности с помощью полигонов, требуют генерации большого количества примитивов для достоверного воспроизведения ландшафта. В предлагаемом методе модель местности задается алгебраически несущей поверхностью и отклонением от этой поверхности в каждом узле сетки. Время вычислений в таком методе практически не зависит от разрешения карты высот.

Основные положения, выводы и результаты диссертации отражены в работах

1-19], [32], [68-82].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенные исследования по объемно-ориентированной технологии визуализации позволили выявить ряд преимуществ, как в способе задания сцен, так и в алгоритме растрирования, ориентированных на реализацию в реальном времени. Переход от растрирования в плоскости изображения к растрированию в объеме, в сочетании с предлагаемыми способами задания объектов, хотя и в целом повышает объем вычислений, выполняемых в реальном времени, тем не менее, приводит к ряду положительных моментов, повышающих реализм отображаемых сцен. К основным положительным особенностям предлагаемого подхода следует отнести:

• Эффективность метода растрирования с маскированием, сочетающего простоту вычисления с быстрым поиском и отбраковкой областей, не занятых объектами сцены.

• Уменьшение количества поверхностей для описания криволинейных объектов. Задание объектов поверхностями свободных форм сокращает в 500 и более раз описание баз данных по сравнению с заданием их полигонами. На рисунке 22 показан результат моделирования объекта сцены с помощью свободных форм на описание которого потребовалось 4К байт информации, что в 500 раз меньше полигонального описания, которое составило бы 2М байт информации.

• Снижение нагрузки на геометрический процессор и уменьшение потока данных от него в видеопроцессор.

• Существенное упрощение построения рельефа местности обусловленное тем, что не требуется предварительная триангуляция поверхностей и клиппирование пирамидой видимости. В алгоритме отображения рельефа и смены уровней детальности используется тот же механизм, что и для обычной текстуры, для фильтрации изображения при динамике используется интерполяция высот по аналогии с текстурой цвета. Время вычислений при генерации рельефа местности практически не зависит от разрешения карты высот, а зависит только от разрешения экрана (квадратичная зависимость) и от разрешения по глубине Z (логарифмическая зависимость). Если реализовать в hardware конвейер на число разрядов координаты Z, логарифмическая зависимость устраняется.

• Простое решение задачи динамической коррекции дисторсии за счет предложенного метода проективного преобразования.

• Возможность обработки вексельных массивов, ограниченных поверхностями свободных форм и поверхностей, окруженных массивами вокселей.

• Простота анимации, деформации и морфинга объектов.

1. Akeley К. and Т. Jermoluk. High-performance polygon rendering // Computer Graphics (Proceedings of SIGGRAPH '88), Vol. 22, No. 4, P. 239-246.

2. Potmesil M. and E. HofFert. The Pixel Machine: A parallel image computer // Computer Graphics (Proceedings of SIGGRAPH '89), Vol. 23, No. 3, P. 69-78.

3. Apgar В., Bersak B. and A. Mammen. A Display System for the Stellar Graphics Supercomputer Model GS 1000 // Computer Graphics (Proceedings of SIGGRAPH '88), Vol. 22, No. 4, P. 255-262.

4. Власов C.B., Вяткин С.И., Долговесов B.C. и др. Конвейерный спецпроцессор для отображения трехмерных сцен в реальном времени // Автоматизация научных исследований: Тез. докл. ХЗХ Всесоюзн. школы. Новосибирск: ИАиЭ СО АН СССР, 1985.

5. Власов С.В., Вяткин С.И., Долговесов Б.С. и др. Системы отображения трехмерной информации в реальном времени // Методы и средства обработки сложной графической информации: Тез. докл. II Всесоюзн. конф. Горький: ГГУ, 1985.

6. Власов С.В., Вяткин С.И., Долговесов Б.С. и др. Предобработка изображений в реальном времени в синтезирующих системах визуализации // Моделирование авиационных и космических кибернетических систем: Тез. докл. II Всесоюзн. совещания. Сухуми, 1985.

7. Буровцев В.А., Власов С.В., Вяткин С.И. и др. Геометрический процессор синтезирующей системы визуализации // Автометрия. 1986. N 4. С. 3.

8. А.с. 1522240 СССР. Цифровой генератор изображений / А.И. Богомяков, С.И. Вяткин, Б.С. Долговесов и др. Опубл. 15.11.89, Бюл. N 42.

9. Вяткин С.И., Долговесов Б.С., Мазурок Б.С. и др. Эффективный метод растрирования изображений для компьютерных систем визуализации реального времени// Автометрия. N 5. 1993. С. 45.

10. Асмус А.Э., Богомяков А.И., Вяткин С.И. и др. Видеопроцессор компьютерной системы визуализации "Альбатрос" // Автометрия. N 6. 1994. С. 39.

11. Великохатный Р.И., Вяткин С.И., Гимаутдинов О.Ю. и др. "Ариус" -семейство 3D графических систем реального времени для PC платформ // Тр. 7-йМеждунар. конф."Графикон-97". Москва, 1997.

12. Вяткин С.И., Гимаутдинов О.Ю., Гнесюк П.Б. и др. Архитектура семейства систем визуализации "Ариус". // Тезисы 3-й Междунар. научно-практич. конф. "Пилотируемые полеты в космос". РГНИИЦПК им. Ю. А. Гагарина. Звездный городок. 1997.

13. S.I. Vyatkin, B.S. Dolgovesov, S.E. Chizhik et al. "ARIUS Family of real-time 3D image generators for PC platform". JANE'S SIMULATION AND TRAINING SYSTEMS, Editor I W Strachhan MBE AFC FRAeS, Bentworth, ALTON, Hampshire, England, 1998.

14. Вяткин С.И., Долговесов Б.С., Каипов Н.Р. и др. Архитектурные особенности системы визуализации реального времени на основе сигнальных процессоров //Автометрия. 1999. N1. С. 110-119.

15. K. Akeley, "Reality Engine Graphics", SIGGRAPH'93 Conference Proceedings, Computer Graphics, Vol. 27, August 1993, P. 109-116.

16. Evans & Sutherland, Technical Report 517902-904 AA, Evans & Sutherland Computer Corporation, USA, September 1992.

17. W. Straber, A. Schilling, G. Knittel," High Performance Graphics Architectures", // Graphicon'95 Proceedings, S. Klimenko et al. (Eds). St-Petersburg 1995. P. 114-121.

18. S. Molnar, J. Eyles, J. Poulton, "PixelFlow: High-Speed Rendering using Image Composition" SIGGRAPH'92 Conference Proceedings, Computer Graphics, 1992.

19. Lizabeth К. Сое "Project to improve performance of the NASA/AMES ACAB Visual Pipeline". Presented at the IMAGE V Conference, Phoenix, Arizona, 19-22 June 1990.

20. Ковалев A.M. "О центральных проекциях трехмерного пространства"// Автометрия 1996. N6. С. 4.

21. Pasko A., Adzhiev V., Sourin, A., et al. Function representation in geometric modeling: concepts, implementation and applications // The Visual Computer, 11,6, 1995, P. 429.

22. V. Savchenko, A. Pasko, T. Kunii, et al. Function representation of solids reconstructed from scattered surface points and contours // Computer Graphics Forum, 14,4, 1995, P. 181.

23. А.А. Pasko, V.V. Savchenko. Blending operations for the functionally based constructive geometry, Set-theoretic Solid Modelling: Techniques and Applications, CSG 94 Conference Proceedings, Information Geometers, Winchester, UK, 1994, P. 151.

24. Sourin, A. Pasko, V. Savchenko. Using real functions with application to hair modelling, Computer & Graphics, 20, 1, 1996, P. 11.

25. Savchenko V.V., Pasko A.A. Vyatkin S.I. et al. New approach in geometric modeling: distributed and hardware implementation perspectives // International Conference on Computers and Devices for Communication CODEC-98. Calcutta, India, 1998. P. 285-290.

26. Sherstuyk A. Fast ray tracing of implicit surfaces. In Implicit Surfaces'98, June 1998. P. 145-153.

27. McCormack J., Sherstyuk A. Creating and rendering convolution surfaces, Computing Graphics Forum, vol. 17, No.2, 1998, P. 113-120.

28. Bloomenthal J., Shoemake K., Convolution surfaces, SIGGRAPH'91, Computer Graphics, vol.25, No.4, 1991, P. 251-256.

29. Bloomenthal J. Sceletal Design of Natural Forms. Doctoral dissertation, University of Calgary, Department of Computer Science, 1995.

30. G. Sealy, G. Wyvill. Smoothing of three-dimensional models by convolution. In Computer Graphics International'96, June 1996, P. 184-190.

31. J. F. Blinn. A generation of algebraic surface drawing. ACM Transactions on Graphics, 1(3): 235-256, July 1982.

32. S. Muraki. Volumetric shape description of range data using "blobby model". Computer Graphics, 25(4): 227-235, July 1991.

33. G. Wyvill, C. McPheeters, and B. Wyvill. Data structure for soft objects. The Visual Computer, 2(4): 227-234, 1986.

34. Т. Beier. Practical uses for implicit surfaces in animation. In Modeling and Animating with Implicit Surfaces, P 20.1-20.11, 1990. SIGGRAPH Course Notes 23.

35. Bloomenthal J. Modeling the mighty maple. Computer Graphics, 19(3): 305-311, July 1985.

36. Sherstuyk A. Convolution Surfaces in Computer Graphics. Doctoral dissertation, Monash University, School of CSSE, 1998.

37. VolumePro™ Takes New Approach to 3D, (micro.pdf, 1M), Presented in MICROPROCESSOR REPORT November 1998 byPeterN. Glaskowsky.

38. Mitsubishi VolumePro: Volume Visualization Hardware for the PCs, (rtgvolumepro.pdf, 1.1M), Presented in Real Time Graphics October/November 1998 by Roy Latham.

39. Visualizing Volumes: Techniques for Rendering Volumetric Data are Finally Breaking Through the Surface, (cgw.pdf, 322k), Presented in Computer Graphics World (CGW) July 1997 by D.P. Mahoney.

40. Brochure Real-time Volume Rendering: The View of the Future, (brochure.pdf, 1.1M).

41. Venturing out Mitsubishi Tests the Entrepreneurial Water, Presented in Technology Review November/December 1999.

42. VolumePro 1000 Expands 3D Vision, Printed in Microprocessor Report October 25, 1999, (micropross102599.pdf, 151k).

43. Volume-rendering PCI Board Casts Rays in Real-time, Presented in EE Times July 5, 1999, (eetimes070599.pdf, 422k).

44. Mitsubishi Soups up Graphics Board to Bring 3-D Volume Rendering to PCs, (discan.pdf, 90k), Presented in Diagnostic Imaging Scan June 9, 1999.

45. Workstation 3-D Graphics Get a Reality Boost, (eetime.pdf, 594k), Presented in EETIME March 1999 by Anthony Cataldo.

46. H. Pfister, VolumePro At the Frontier of Advanced Volume Graphics, Nikkei Science, October 1999, (nikkei99.pdf, 135k).

47. H. Pfister, Keynote Address at the 5th Japanese Visualization Conference, Real Time Volume Visualization with VolumePro Tokyo, Japan, 1999, (jvis99.pdf, 236k).

48. H. Pfister, J. Hardenbergh, J. Knittel, H. Lauer and L. Seiler,The VolumePro RealTime Ray-Casting System Proceddings of Siggraph '99, p. 251-260, Los Angeles, CA, August 1999, (sig99.pdf, 808K).

49. H. Pfister, Architectures for Real Time Volume Rendering, Journal of Future Generation Computer Systems (FGCS), p. 1-9, Elsevier Science, Vol. 15, No. 1, February 1999, (fgcs99.pdf, 1.4MB).

50. Data Sheet VolumePro 500-2X, (vp2xds.pdf, 479k).

51. Gunter Knittel, Voxel Engine for Real-time Visualization and Examination, Eurographics'93, Volume 12, number 3, P. 37-48.

52. Paul S. Heckbert. Survey of Texture Mapping// IEEE Comput. Graph, and Applicat.- 1986.-6, N11, P. 56.

53. Lance Williams. "Pyramidal Parametrics, Computer Graphics", 1983-12, N 4, P. 270.

54. Ковалев A.M.,Тарасов Ю.В. Текстура на произвольно ориентированных плоских поверхностях.// Автометрия. №6. 1986. С. 9.

55. Sergei I. Vyatkin, Boris S. Dolgovesov, Valerie V. Ovechkin, et al. Photorealistic imaging of digital terrains, freeforms and thematic textures in realtime visualization system Voxel-Volumes // GraphiCon '97, Moscow. P. 121-126.

56. Вяткин С.И., Долговесов B.C., Чижик C.E. Синтез виртуальной среды с рекурсивным делением объектного пространства // Труды 8-й Междунар. конф.Трафикон-98". Москва, 1998. С. 119-123.

57. S.I. Vyatkin, B.S. Dolgovesov, A.V. Yesin et al. Voxel Volumes Volume-Oriented Visualization System// Computer Graphics and Geometry, Internet Journal http://cg-gl.newmail.ru/smi99l/VYAT.KIN.htm

58. Вяткин С.И., Долговесов B.C., Есин A.B. и др. Система объемной визуализации реального времени VOXEL-VOLUMES // 4-я Междунар. конф. Распознавание образов и анализ изображений: новые информационные технологии, Новосибирск 98. С. 90-94.

59. Вяткин С.И., Долговесов Б.С., Есин А.В. и др. Геометрическое моделирование и визуализация функционально-заданных объектов // Автометрия. 1999. N6.

60. Вяткин С.И., Долговесов Б.С., Есин А.В. и др. Визуализация свободных форм и вексельных объемов в реальном времени // Труды 9-й Междунар. конф. Трафикон-99". Москва, 1999.

61. Вяткин С.И., Долговесов Б.С., Есин А.В. и др. Алгоритм визуализации трехмерных данных, заданных поверхностями свободных форм // Программные продукты и системы. Москва, 1999. С. 16-21.

62. Sergei I. Vyatkin, Boris S. Dolgovesov, Alexander V. Yesin. Visualization of 3D clouds using free forms, 11-th International Conference on Computer Graphics GraphiCon '2001, Nizhny Novgorod, P. 81 -85.

63. Вяткин С.И., Долговесов B.C., Чижик C.E. Коррекция дисторсии в компьютерных системах визуализации // Автометрия. 2001. N6. С. 46-61.

64. Вяткин С.И., Долговесов Б.С. , Каипов Н.Р. Отображение текстуры на плоские и криволинейные поверхности, свободные формы и объемы // Автометрия. 2002. N1. С. 17-23.

65. Вяткин С.И., Долговесов Б.С. Синтез поверхностей свертки с рекурсивным делением объектного пространства// Автометрия. 2002. N3.