автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Визуализация трехмерного ландшафта в комплексных тренажерных системах нефтегазовой промышленности

На правах рукописи

005003544

ШУСТИКОВ ДМИТРИЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

ВИЗУАЛИЗАЦИЯ ТРЕХМЕРНОГО ЛАНДШАФТА В КОМПЛЕКСНЫХ ТРЕНАЖЕРНЫХ СИСТЕМАХ НЕФТЕГАЗОВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Специальность 05.13.01 Системный анализ, управление и обработка информации (в промышленности)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

- 1 ДЕК 2011

Тверь 2011

005003544

На правах рукописи

ШУСТИКОВ ДМИТРИЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

ВИЗУАЛИЗАЦИЯ ТРЕХМЕРНОГО ЛАНДШАФТА В КОМПЛЕКСНЫХ ТРЕНАЖЕРНЫХ СИСТЕМАХ НЕФТЕГАЗОВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Специальность 05.13.01 Системный анализ, управление и обработка информации (в промышленности)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Тверь 2011

Работа выполнена в Тверском Государственном Техническом Университете

Научный руководитель:

кандидат технических наук, доцент Биллиг Владимир Арнольдович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Горячев Валерий Дмитриевич

доктор технических наук, профессор Местецкий Леонид Моисеевич

Ведущая организация:

ООО "НЕФТЕГАЗГЕОФИЗИКА"

Защита состоится 16 декабря 2011 г. В 15 часов на заседании диссертационного совета Д212.262.04 в Тверском Государственном Техническом Университете по адресу: 170026 г. Тверь, наб. Аф. Никитина 22, к. Ц-208.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тверского государственного технического университета по адресу: г.Тверь, пр. Ленина, 25 (ауд. ХТ-102)

Автореферат разослан « » октября 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета /

д.т.н., профессор От^ Н.Н Филатова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

Нефтегазовая промышленность - сфера с высоким риском возникновения чрезвычайных ситуаций. Их появление обусловлено сложными технологическими процессами, легко воспламеняющимися и токсичными продуктами, быстрым износом оборудования и другими причинами, среди которых немалую роль играет «человеческий фактор». Роль этого фактора является определяющей и при ликвидации последствий аварий. Для снижения количества чрезвычайных ситуаций и эффективного устранения последствий возникающих ситуаций необходимо проводить обучение и тестирование персонала всех уровней. Для этих целей хорошо подходят тренажерные системы.

Активное применение мультимедийных обучающих систем (компьютерных тренажёров) в процессе обучения персонала обусловлено тем, что они обеспечивают глубокую индивидуализацию обучения, создают условия для самостоятельной работы и позволяют проводить тестирование персонала при моделировании критических ситуаций. Компьютерные тренажёры позволяют улучшить подготовку специалистов высокого уровня. В основе подобных систем (комплексов) обычно лежит цифровая модель театра действий, на которой моделируются действия различного масштаба. В их ходе сотрудники всех уровней от командного состава до операторов получают необходимые навыки в проведении операций, в управлении, при работе с оборудованием.

Построению компьютерных тренажеров уделяется большое внимание, как за рубежом, так и в нашей стране. Так по некоторым оценкам в США и Европе выпуск одного только оборудования для учебных центров и центров научной визуализации увеличился со 150 миллионов долларов в 2005 году до 600 миллионов долларов в 2010 году. В России вопросами построения компьютерных тренажеров для нефтегазовой промышленности занимаются группы ученых в РГУ Нефти и Газа, Тюменском НГУ, Уфимском Нефтяном ГТУ, Омском ГУ.

Трехмерная визуализация окружающей обстановки становится сегодня неотъемлемой частью тренажерных систем, являясь одним из важнейших направлений в обработке и представлении данных. В настоящее время, аппаратные возможности устройств отображения информации постоянно совершенствуются: увеличивается объем памяти графических карт, число их процессоров и т.д., что в свою очередь открывает новые возможности для визуализации обстановки в реальном времени.

Времена, когда тренажерная система представляла собой всего один тренажер, проходят. Современные технологии позволяют объединить в комплексную тренажерную систему различные виды тренажеров. Это позволяет проводить крупномасштабные, совместные учения специализированных служб. Примером может служить тренажерная система,

объединяющая три тренажера - танкера, нефтяной платформы и спасательного вертолета. В такой ситуации без визуализации окружающей обстановки обойтись практически невозможно.Мало того, окружающая обстановка во всех тренажерах не должна различаться, и это в свою очередь выводит задачу визуализации ландшафта на новый уровень.

Задача отображения ландшафта становится одной из основных задач при разработке комплексных тренажерных систем, требующих визуализации окружающей обстановки.Проблемы визуализации ландшафта являются предметом рассмотрения специальных конференций и симпозиумов.

Система трехмерной Визуализации тренажерного комплекса требует отображения ландшафта с детализацией, необходимой для конкретного тренажера. При этом все тренажеры должны работать в одном виртуальном пространстве. Вэтом же пространстве должна работать и система визуализации для отображения окружающей обстановки каждого тренажера, отображения любого объекта на поле действия, отображения самого поля действий.

Проблема заключается в том, что, например, для визуализации окружающей обстановки наземной буровой платформытребуетсявысокая степень детализации области сравнительно небольшого размера, для тренажера спасательного вертолета требуется отображение ландшафта области большего размера, но с меньшей степенью детализации, а для визуализации данных, поступающих от спутника на орбите, требуется отображать область масштаба планеты. Напрямую невозможно загрузить в память компьютера все данные о земной поверхности с высокой детализацией, так как это требуеттерабайтов информации.

Для обеспечения высокого уровня подготовки специалистов, способных принимать правильные решения в критических ситуациях, необходимо создавать компьютерные тренажеры, использующие такую систему визуализации, которая позволитотображатьландшафт:

• с необходимой степенью детализации, ,

• в области требуемых размеров,

• с учетом сферичности,

• с требуемой частотой изменения кадров, позволяющей отображать ландшафт в реальном масштабе времени при перемещении наблюдателя.

Цель работы

Целью работы является повышение качества подготовки специалистов, занимающихся управлением производственными и чрезвычайными ситуациями при добыче и транспортировке нефти и газа путем создания системы визуализации ландшафта.

Для реализации цели были поставлены следующие задачи:

1. На основе анализа предметной области выработать требования к системе визуализации ландшафта, применимой при построении комплексной системы тренажеров в нефтегазовой промышленности.

2. Разработать методы визуализации ландшафта, удовлетворяющие поставленным требованиям, и приемы представления и передачи исходных данных, необходимые для эффективной реализации методов.

3. Построить программную систему, реализующую трехмерную визуализацию ландшафта, и провести ее тестирование на соответствие требованиям, предъявляемым тренажерными системами.

Объектом исследования являются способы представления и передачи исходных данных о рельефе местности и методы трехмерной визуализации ландшафта.

Предметом исследования являются комплексные системы тренажеров, требующие отображения ландшафта в реальном масштабе времени, с различной степенью масштабируемости и детализации.

Методами исследования являются методы трехмерной визуализации поверхности рельефа, методы линейной алгебры и аналитической геометрии, теория архитектуры ЭВМ и современных ГПУ, научные результаты, полученные в трудах отечественных и зарубежных ученых в области компьютерной графики.

Научные результаты.

1. Исследованы методы трехмерной графики, применяемые при визуализации рельефа. Исследованы возможности современных графических процессоров. В результате исследований разработан метод визуализации ландшафта Cubical Clipmap, применимый в комплексной системе тренажеров нефтегазовой отрасли, отвечающий требованиям по времени отклика, масштабируемости, степени детализации.

2. Разработана и протестирована программная система VisioLand, реализующая предлагаемые алгоритмы и структуры данных.

3. Предложен метод хранения информации о ландшафте в виде куба со сторонами из квадродеревьев, листьями которых являются матрицы данных о ландшафте.

4. Предложен метод потоковой загрузки данных позволяющий обеспечить требуемое время отклика процессора графического устройства, визуализирующего ландшафт.

5. Предложен метод визуализации ландшафта Cubical Clipmaps, использующий кубическую проекцию.

6. Создана библиотека программ, реализующих алгоритмы хранения, потоковой загрузки и визуализации рельефа земной поверхности.

Достоверность и обоснованность научных результатов, выводов и рекомендаций диссертации определяются корректным применением указанных методов, а также верификацией и проверкой соответствия реализованной программной системы внешним требованиям.

Научная новизна работы.

Новизна работы состоит в разработке комплекса методов трехмерной визуализации ландшафта, позволяющих отображать в реальном масштабе времени местность, масштабируемую по размерам, с различной степенью детализации, с учетом сферичности отображаемой поверхности. Эффективная по памяти и времени реализация этих методов позволяет использовать современные компьютеры с обычными видеокартами. Все это позволило интегрировать разработанную библиотеку программ визуализации ландшафта в комплексную тренажерную систему, применимую в нефтегазовой промышленности.

Предложенная система уровней детализации и кэширования данных позволила ощутимо сократить требуемые объемы оперативной памяти и видеопамяти графического процессора.

Перенос значительной части вычислений на графический процессор (ГПУ) позволил значительно увеличить общую производительность системы.

Разработана система потоковой загрузки данных с жесткого диска в память видеокарты, отличительной особенностью которой является создание промежуточных кэш уровней в оперативной памяти компьютера, что позволило сократить время обработки данных.

В совокупности эти решения позволили реализовать основную цель работы - создать систему визуализации ландшафта с характеристиками, требуемыми тренажерами нефтегазовой отрасли.

Значение полученных результатов для теории и практ ики.

Разработанные в диссертации алгоритмы отображения трехмерного сферического ландшафта, способы хранения данных и их потоковой загрузки в память графического устройства, разработанная библиотека программ вносят вклад в теорию и практику компьютерной графики, применяемой при отображении рельефа поверхности и построения ландшафта.

Разработанная в диссертация система У1БюЬапс1 - отображения трехмерных ландшафтов используется в тренажерном комплексе компании ЗАО "КОНЦЕРН ВНИИНС". Данный программный комплекс позволил объединить системы визуализации и работать различным тренажерным системам в едином виртуальном пространстве.

Внедрение.

Программный комплекс визуализации трехмерных ландшафтов, разработанный в ходе выполнения диссертационной работы, используется при создании системы единой моделирующей среды, проектируемой в ЗАО

«КОНЦЕРН ВНИИНС». Акт о передаче результатов разработки датирован 2 мая 2011 года.

Апробация.

Диссертационная работа прошла апробацию в ОАО «Концерн ВНИИНС». Результаты работы докладывались на научных собраниях аспирантов ТГТУ.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность решаемой научно-технической задачи, сформулированы цель и задачи диссертационного исследования, определены предмет и объект диссертации, обоснована научная новизна, изложена практическая значимость, приведены данные об апробации работы и публикациях.

В первой главе проводится анализ предметной области. Рассматривается применение компьютерных тренажеров в нефтегазовой промышленности в таких областях как:

- системы прогнозирования и апостериорной реконструкции событий;

- системы обеспечения оборудования территории;

-тренажерные комплексы для одиночной и групповой подготовки персонала.

Тренажерные системы, предназначенные для обучения персонала, носят комплексный характер, представляя сложный комплекс взаимодействующих тренажеров. При моделировании аварии на буровой платформе необходимо обеспечить взаимодействие тренажеров операторов буровой платформы, нефтяного танкера, пилота вертолета.

Система трехмерной визуализации окружающей обстановки является важнейшей составляющей комплексной тренажерной системы. Визуализация ландшафта - одна из важнейших подсистем общей системы визуализации. В первой главе сформулированы требования, которые комплексная тренажерная система предъявляет к этой подсистеме, основными из которых являются требования по:

• Масштабируемости. В зависимости от того, какому оператору поставляется информация, система должна отображать ландшафт поверхности требуемого размера.

• Времени отклика. Ландшафт должен показываться в динамике, отражая соответствующие изменения ландшафта во времени и возможные перемещения оператора. Требуемая частота показа кадров - 30 кадров в секунду.

• Степени детализации. Некоторым операторам требуется высокая степень детализации при отображении относительно небольших площадей. Требуемая максимальная степень детализации -1 метр.

Во второй главе проводится анализ средств, применяемых при построении трехмерных - 3D изображений. В частности, рассматриваются методы построения объектов трехмерной графики, учитывающие специфику работы современных графических процессоров. Анализируя работу низкоуровневых и высокоуровневых интерфейсов, обосновывается вывод о выборе интерфейсов, примененных при построении программной системы VisioLand. В параграфе 2.6 рассматриваются характеристики различных систем, задающих высокоуровневое API. В немалой степени важной причиной, определившей наш выбор в пользу Ogre3d, являлось то, что данный движок использует общая система визуализации, частью которой является разрабатываемая нами система визуализации ландшафта.

Основное внимание в этой главе уделяется анализу существующих алгоритмов, применяемых при визуализации ландшафта.

В частности был проанализирован алгоритм GPU Clipmap. У этого алгоритма много достоинств. Он позволяет использовать для хранения данных метод вложенных сеток, благодаря чему достигается желаемый компромисс между степенью детализации ландшафта и объемом хранимой информации.

Алгоритм вложенных регулярных сеток позволяет справиться с проблемой размера матрицы высот. Его суть заключается в кэшировании пирамиды местности, используя набор из ш уровней вложенных регулярных сеток, отцентрированных вокруг позиции наблюдателя. На каждом уровне массив вершин имеет один и то г же размер n * п и хранится в видеопамяти в отдельном буфере вершин данного уровня. Для двух уровней за счет вложенных сеток достигается экономия памяти примерно в два раза. В общем случае показано, что при построении вложенных сеток, когда на каждом из m уровней число точек постоянно, а линейный размер области при переходе на следующий уровень увеличивается в два раза, сокращение числа точек матрицы высот с небольшой погрешностью определяется формулой:

к = 22*т~2/т

Недостатком метода GPU Clipmap является то, что он основан на проекции сферы на плоскость, что приводит к существенным ошибкам, когда визуализация требует учета сферичности.

Второй проанализированный метод - Spherical Clipmap позволяет учесть сферичность отображаемого ландшафта. В этом методе также строится регулярная сетка в координатах ср и 0 (широта и долгота), что позволяет и здесь использовать регулярные вложенные сетки для учета степени детализации.

Метод Spherical Clipmap имеет свои недостатки. Увеличивается объем и сложность расчетов, выполняемых на графическом процессоре. По этой причине он не может обеспечить требуемое время отклика и приводит к погрешностям при проведении вычислений.

В третьей главе представлен разработанный нами алгоритм Cubical Clipmaps, предназначенный для отображения трехмерного ландшафта в тренажерных системах нефтегазовой промышленности. Программная система VisioLand, построенная на основе этого алгоритма, показана, что система удовлетворяет всем предъявляемым требованиям тренажерной системы к системе визуализации ландшафта. Данный алгоритм состоит из трех основных частей: хранение и преобразование данных, потоковая загрузка данных и визуализация данных. Помимо этих узловых компонентов в алгоритме решаются и другие вопросы, связанные с визуализацией ландшафта - освещение, атмосферное гало и другие аспекты, связанные с визуальным отображением ландшафта.

При хранении данных используется кубическая проекция. Информация о земной поверхности в географических координатах представляется в виде шести сторон куба и хранится на жестких дисках.

Рисунок 1: Графическое представление кубической проекции.

В работе получены формулы вычисления проекций на единичной сфере для каждой стороны куба. Для боковых сторон: <р = аг^(х)

в = агсщ Ь=гЦ=)

V1 +х2 Для верхней стороны: -1

в = агсщ ^ ,

V** + У

ср-2п- агсзш(-т=5=), если у>0 и <р = л + агсзт(-р==1==), если у<0

При этом если ¿ж, то Л = Л . 2л _ Для нижней стороны:

9 = агс(о -г===г ' Vх" + У'

(р - агсзт(-т====), если у< 0 и ср~ л - агсзт(-===), если у > О

V*2 + у1 у)х2 + у2

При этом если <р>ж ,то гр = <р-2л.

Каждая сторона куба вводит собственные декартовы координаты проекции. Данные хранятся в виде квадродерева.

Рисунок 2: Схематичное представление квадродерева матриц высот

Такой подход позволяет обеспечить учет сферичности, а с другой стороны использовать мощь регулярных вложенных сеток, задавая требуемое число уровней детализации.

Для обеспечения потоковой передачи данных с жестких дисков в память видеокарты используется система кэширования данных. С этой целью необходимые данные в альтернативном потоке загружаются в оперативную память (кэш). Размер этих данных значительно меньше, чем в хранилище на жестких дисках, однако больше чем в видеопамяти. Для увеличения скорости чтения с жестких дисков их объединяют в RAID-систему. Затем данные из кэша, в оперативной памяти, используя прямой доступ к памяти (DMA), копируются в видеопамять.

Рассмотрение алгоритма визуализации требует решения целого комплекса вопросов. Прежде всего, требуется отображать геометрию ландшафта, проводя ее растеризацию. На этапе растеризации геометрия ландшафта покрывается текстурами. Но здесь же нужно решать такие проблемы как освещение ландшафта, проблему учета атмосферного гало. Для обеспечения требуемой точности вычислений приходится вводить специальные системы координат, связанные с наблюдателем, выполняя соответствующие преобразования исходных данных.

Для создания геометрии используется рассмотренный выше алгоритм кубической проекции. Соответствующие расчеты приведены в параграфе 3.6.1. При построении геометрии ландшафта применение метода вложенных

сеток приводит к появлению разрывов на границах при переходе от одного уровня сетки к другому. Чтобы закрыть образовавшиеся дыры, мы используем метод треугольников нулевой площади. Для этого для вершин, находящихся на границах уровня, создаются треугольники. В проекции сверху, они имеют нулевую площадь. Но при любой другой проекции они закрывают площадь при разрывах триангуляции уровней.

Основная текстура представляет собой изображение (набор пикселей), которое накладывается на геометрию ландшафта для отображения данных, источником которых могут выступать спутниковые снимки, векторная и другая доступная информация.

После того как наложение текстуры закончено, производится расчет освещения. Так как визуализация осуществляется с частотой выше 30 кадров в секунду, а процессоры графических адаптеров рассчитаны на вычисление несложных векторных операций, вычисление реальной физической модели освещения затруднительно. Поэтому для расчета освещения ландшафта

берутся две простые модели: Ламбрета (Ld =Ljki{s»n)) и Фонга (

Ls~LMvr)P).

Решение задачи точности вычислений рассматривается при помощи переноса системы координат и предварительных расчетов на центральном процессоре.

Любое изображение, выводимое на экран современным графическим процессором - GPU, описывается точками, из которых потом собираются линии, треугольники и другие примитивы. Перед тем как точка выводится на экран, она проходит ряд матричных преобразований. Пусть О - объект,

Рисунок 3:

Текстура, на которой представлены нефтяные платформы и данные об ураганном прогнозе ветров

р

подлежащий визуализации и ° одна из его точек, формирующих объект. Тогда перед выводом на экран ее координаты будут пересчитаны по формуле:

Р = Р,*М*М„*Мр,

где - матрица трансформации, - матрица вида, ^р- матрица проекции. Все эти преобразования происходят на графическом аппаратном обеспечении (видеокартах). Суть проблемы заключается в том, что почти все видеокарты выполняют матричные преобразования, используя числа с плавающей запятой одинарной точности (типа - float), и только самые современные и соответственно дорогие графические устройства поддерживают вычисления двойной точности - double.

Вычисления с одинарной точностью могут приводить к потере точности, а в результате к так называемому эффекту «дрожания». Данная проблема становится особенно острой при визуализации сферических ландшафтов, когда требуется высокая детализация ландшафта.

Выходом из этой ситуации является хранение не традиционных матриц высот, а матриц координат точек, где каждая ячейка матрицы хранит не просто высоту, а три координаты точки в пространстве.

Все расчеты можно выполнять на цетральном процессоре, используя тип double, что позволяет избежать потери точности. Это конечно увеличит в три раза объем памяти, требуемой для хранения матриц высот, однако позволит преодолеть недостатки работы с числами одинарной точности float, выполняемые на графическом процессоре.

Рассмотренный алгоритм лег в основу проектирования и построения программной системы. Построение такой системы позволяет проверить на практике работоспособность алгоритма и возможность удовлетворения требований, предъявляемых к системе, чтобы ее можно было использовать в тренажерах нефтегазовой отрасли.

В четвертой главе рассматривается разработка программной библиотеки отображения трехмерного ландшафта VisioLand. Данная программная библиотека разработана как набор методов для создания и визуализации в реальном масштабе времени трехмерного ландшафта. Одной из целей ее создания является повышение качества обучения людей, чья работа связана с нефтегазовой промышленностью. Одной из областей применения данной программной библиотеки является тренажерная система нефтедобывающей платформы. Общая система визуализации тренажерного комплекса (ВТК), частью которой является система VisioLand, предъявляет ряд требований к системе визуализации ландшафта.

Сформулируем требования, которые были предъявлены при разработке системы VisioLand:

• Требуется создать программную библиотеку, методы которой позволяют строить 3D ландшафт в любой точке планеты.

• С целью обеспечения проведения групповых тренировок и сопряжения с различными тренажерными системами размеры отображаемой области ландшафта должны покрывать любую область планеты.

• Система VisioLand должна обеспечивать отображение ландшафта с частотой не ниже 30 кадров в секунду.

• Максимальная степень детализации реального рельефа должна достигать одного метра.

• В состав библиотеки VisioLand должен входить набор инструментов, позволяющий пользователю добавлять или создавать новые ландшафты на основе собственных источников информации (географические карты, матрицы высот, спутниковые снимки).

Система ВТК - отображает трехмерные объекты, моделируемые тренажерной системой (трехмерные модели нефтедобывающей платформы, спасательных вертолетов, грузовых танкеров и т.д.). ВТК использует высокоуровневый графический интерфейс OGRE (Open Graphics Render Engine) для отображения трехмерной графики. Отсюда следовали дополнительные требования, носящие технический характер:

• Программная реализация библиотеки VisioLand, должна быть разработана на языке С++.

• В качестве графического интерфейса необходимо использовать инструментарий OGRE.

• В состав библиотеки должны входить интерфейсы, позволяющие встраивать отображение ландшафта непосредственно в цикл визуализации 1рафического движка.

• В состав библиотеки должны входить интерфейсы для управления этим процессом.

Система VisioLand, удовлетворяющая этим требованиям, была реализована. На рис. 5 показана структура системы VisioLand и ее взаимодействие с ВТК.

Рисунок 4: Структурная схема библиотеки YisioLand и ее связь с

ВТК

Как видно из структурной схемы, библиотека VisioLand состоит из двух основных подсистем (ПС): генерации ландшафта - ПС Generate и ПС визуализации ландшафта - ПС Visio.

Пользователь, используя интерфейсы системы Generate, может подготовить ландшафт из своих источников. Далее Generate конвертирует пользовательские данные о ландшафте в данные, которые "понимает" ПС Visio. Затем, используя интерфейсы ПС Visio, пользователь может отображать трехмерный ландшафт по запросам ВТК.

Далее в главе рассматриваются основные программные классы, входящие в состав библиотек систем Generate и Visio. Часть классов строятся как абстрактные классы с виртуальными абстрактными функциями, которые позже определяются в классах потомках. Такой подход обеспечивает открытость системы, позволяющей использовать не только встроенные в систему форматы данных, но и добавлять данные новых форматов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Качественная подготовка операторов, работающих в нефтегазовой отрасли, требует создания комплексных тренажеров, поддерживающих визуализацию окружающей обстановки - создания компьютерных систем ВТК.

2. Частью системы ВТК является система визуализации ландшафта, к которой система ВТК предъявляет определенные требования.

3. При проектировании программной системы VisioLand, осуществляющей визуализацию ландшафта, к системе были предъявлены следующие требования:

a. Система должна позволять строить 3D ландшафт в любой точке планеты.

b. Размеры отображаемой области ландшафта должны покрывать любую область планеты.

c. Система должна обеспечивать отображение ландшафта с частотой не ниже 30 кадров в секунду.

d. Максимальная степень детализации реального рельефа должна достигать одного метра.

e. Система должна быть открытой, позволяя добавлять или создавать новые ландшафты на основе собственных источников информации (географические карты, матрицы высот, спутниковые снимки).

4. Разработан алгоритм Cubical Clipmap, позволяющий решать весь комплекс проблем, возникающих при визуализации ландшафта:

a. построение геометрии ландшафта,

b. наложение текстуры

c. освещение ландшафта,

d. учет атмосферного гало.

e. обеспечение требуемой точности вычислений.

5. Разработан метод хранения информации о ландшафте, позволяющий организовать потоковую передачу данных на процессор графического устройства, обеспечивающий требуемое время отклика.

6. Разработана программная система VisioLand, использующаяся в системе ВТК для нефтегазовой отрасли.

7. Тестирование системы VisioLand показало, что она удовлетворяет предъявляемым к ней требованиям.

8. Результаты диссертационной работы были внедрены и используются в существующей тренажерной системе, разработанной в ОАО «Концерн ВНИИНС».

9. Примеры кадров ландшафта, снятые во время тестирования системы представлены на рисунках:

Публикации по теме диссертации Статьи, опубликованные в изданиях, включенных в перечень ВАК:

1. Шустиков Д. А. Использование тороидального копирования для пошаговых обновлений текстуры. Международный журнал «Программные Продукты и Системы» 4(88), 2009г. Стр. 120-122. (журнал включен в перечень ВАК).

2. Дмитриев Г. А., Шустиков Д. А. Система визуализации трехмерного ландшафта для интеграции тренажеров буровых установок и комплексов.

Научно-технический вестник КАРОТАЖНИК, Выпуск 1 (199), стр. 66-75. (журнал включен в перечень ВАК).

Другие статьи и материалы конференций:

3. Шустиков Д. А. Основные особенности алгоритма вложенных регулярных сеток, использующегося для моделирования рельефа местности.

Вестник Тверского Государственного Технического Университета, выпуск 14,2009 г., стр. 23-29.

4. Шустиков Д. А. Получение кубической проекции земной поверхности, для визуализации сферического ландшафта. Вестник Тверского Государственного Технического Университета, выпуск 15.2010г., стр 60-64.

5. Шустиков Д. А. Алгоритм отображения эффекта атмосферы для трехмерной визуализации планет.

Вестник Тверского Государственного Технического Университета, выпуск 15,2010г.,стр 64-68.

6. Шустиков Д. А. Применение алгоритма вложенных регулярных сеток для визуализации сферического рельефа. XXII Международная научная конференция. Математические Методы в Технике и Технологиях МТТ-22, сборник трудов. 2009 г, стр. 218-221.

Составители: Д.А. Шустиков Технический редактор А.Н. Безрукова

Подписано в печать 11.11.11 Тираж 100 экз. Заказ № 73

Печ.л. 1,0_Усл.печ.л. 0,93_Уч.-изд.л. 0,87

РИЦТвГТУ

Введение.

1. Актуальность.

2. Цель работы.

3. Научная задача.

4. Рамки исследования.

5. Предмет и объект исследования.

6. Научные результаты.

7. Значение полученных результатов для теории и практики.

8. Используемый инструментарий.

9. Внедрение.

10. Апробация.

11. Публикации.

Глава 1. Визуализация обстановки в тренажерных системах нефтегазовой промышленности.

1. Трехмерное моделирование окружающей обстановки на предприятиях нефтегазовой промышленности.

1.1. Системы прогнозирования.

1.2. Системы проектирования.

1.3. Тренажерные комплексы для подготовки персонала предприятия.

1.4. Тренажерная система буровой платформы.

1.5. Структура тренажерного комплекса.

1.6. Требования к системе визуализации ландшафта, предъявляемые тренажерной системой.

2. Подводя итоги.

Глава 2. Методы и инструментарий компьютерной графики.

1. Трехмерная графика.

2. Графический адаптер.

2.1. Обработка вершин.

2.2. Обработка примитивов.

2.3. Растеризация.

2.4. Шейдеры.

2.5. Низкоуровневые программные интерфейсы.

2.6. Высокоуровневые программные интерфейсы. Трехмерные движки.

3. Визуализация рельефа и ландшафта.

3.1. Визуализация матрицы высот.

3.2. Текстуры и визуализация ландшафта.

3.3. Проблемы, возникающие при визуализации ландшафта.

3.4. Обзор существующих алгоритмов.

3.5. Визуализация земной поверхности методом сферического проектирования - Spherical Clipmaps.

4. Подводя итоги.

Глава 3. Визуализация ландшафта для тренажерных систем. Представление данных и алгоритмы

1. Алгоритм визуализации ландшафта методом кубического проектирования - Cubical Clipmaps.

2. Общая структура алгоритма отображения трехмерного ландшафта.

3. Хранение информации.

4. Преобразование данных.

5. Потоковая загрузка.

6. Визуализация данных.

6.1. Создание геометрии ландшафта.

6.2. Непрерывность триангуляционной сетки.

6.3. Растеризация.

6.4. Уровни детализации.

6.5. Эффект атмосферы.

6.6. Проблемы точности вычислений.

7. Подводя итоги.

Глава 4 Программная система VisioLand.

1. Цель разработки.

2. Структура системы.

3. Основные модули.

3.1. Программное средство генерации ландшафта - ПС Generate.

3.2. Программное средство визуализации трехмерного ландшафта.

4. Результаты визуализации.

5. Подводя итоги.

Выводы.

Нефтегазовая промышленность - сфера с высоким риском возникновения чрезвычайных ситуаций. Их появление обусловлено сложными технологическими процессами, легко воспламеняющимися и токсичными продуктами, быстрым износом оборудования и другими причинами, среди которых немалую роль играет «человеческий фактор». Роль этого фактора является определяющей и при ликвидации последствий аварий. Для снижения количества чрезвычайных ситуаций и эффективного устранения последствий возникающих ситуаций необходимо проводить обучение и тестирование персонала всех уровней. Для этих целей хорошо подходят тренажерные системы. На рисунке ниже представлен пример системы визуализации тренажерной системы.

Рис. 1: Тренажер нефтеналивного терминала производства компании

Транзас[54]

Активное применение мультимедийных обучающих систем компьютерных тренажёров) в процессе обучения персонала обусловлено тем, что они обеспечивают глубокую индивидуализацию обучения, создают 5 условия для самостоятельной работы и позволяют проводить тестирование персонала при моделировании критических ситуаций. Компьютерные тренажёры позволяют улучшить подготовку специалистов высокого уровня. В основе подобных систем (комплексов) обычно лежит цифровая модель театра действий, на которой моделируются действия различного масштаба. В их ходе сотрудники всех уровней от командного состава до операторов получают необходимые навыки в проведении операций, в управлении, при работе с оборудованием.

Построению компьютерных тренажеров уделяется большое внимание, как за рубежом, так и в нашей стране. Компьютерные тренажеры применяются в самых различных проблемных областях, начиная от тренажеров для подготовки технических специалистов. В России вопросами построения компьютерных тренажеров для нефтегазовой промышленности занимаются группы ученых в целом ряде университетов: РГУ Нефти и Газа[51], Тюменском ГУ[55], Уфимском Нефтяном ГТУ[53], Омском ГУ[52].

Большое внимание уделяется построению тренажеров, в которых визуализация играет важнейшую роль. Так по некоторым оценкам в США и Европе выпуск одного только оборудования для учебных центров и центров научной визуализации увеличился со 150 миллионов долларов в 2005 году до 600 миллионов долларов в 2010 году.

Трехмерная визуализация окружающей обстановки становится сегодня неотъемлемой частью тренажерных систем, являясь одним из важнейших направлений в обработке и представлении данных.

Комплексные тренажерные системы разрабатываются в крупнейших газонефтяных компаниях, являясь их "know how".

В настоящее время, аппаратные возможности устройств отображения информации постоянно совершенствуются: увеличивается объем памяти графических карт, число их процессоров и т.д., что в свою очередь открывает новые возможности для визуализации обстановки в реальном времени.

Одной из основных задач при разработке комплексных тренажерных систем, требующих визуализации окружающей обстановки, является задача отображения ландшафта. Времена, когда тренажерная система представляла собой всего один тренажер, проходят. Современные технологии позволяют объединить в комплексную тренажерную систему различные виды тренажеров. Это позволяет проводить крупномасштабные, совместные учения специализированных служб. Примером может служить тренажерная система, объединяющая три тренажера - танкера, нефтяной платформы и спасательного вертолета. В такой ситуации без визуализации окружающей обстановки обойтись практически невозможно, мало того, окружающая обстановка во всех тренажерах не должна различаться, и это в свою очередь выводит задачу визуализации ландшафта на новый уровень.

В такой ситуации перед системой трехмерной визуализации тренажерного комплекса встает много проблем, одной из которых является отображения ландшафта с детализацией необходимой для конкретного тренажера. При этом все тренажеры работают в одном виртуальном пространстве. И система визуализации также должна работать в едином виртуальном пространстве для отображения окружающей обстановки каждого тренажера и отображения как любого объекта на поле действия, так и самого поля действий.

Проблема заключается в том, что, например, для визуализации окружающей обстановки наземной буровой платформы требуется высокая степень детализации области сравнительно небольшого размера, для тренажера спасательного вертолета требуется отображение ландшафта области большего размера, но с меньшей степенью детализации, а для визуализации данных, поступающих от спутника на орбите, требуется отображать область масштаба планеты. Напрямую невозможно загрузить в память компьютера все данные о земной поверхности с высокой детализацией, так как это требует терабайтов информации. Соответственно существует необходимость в создании такой системы визуализации, которая обеспечит отображение ландшафта:

• с необходимой степенью детализации,

• в области требуемых размеров,

• с учетом сферичности,

• с требуемой частотой изменения кадров, позволяющей отображать ландшафт в реальном масштабе времени при перемещении наблюдателя.

2. Цель работы

Целью работы является повышение качества подготовки специалистов, занимающихся управлением производственными и чрезвычайными ситуациями при добыче и транспортировке нефти и газа путем создания системы визуализации ландшафта.

3. Научная задача

Развитие теоретических методов трехмерной визуализации ландшафта, которые могут эффективно использоваться в тренажерных комплексах. Для достижения цели и решения научной задачи необходимо решение следующих частных задач:

• анализ предметной области и существующих методов;

• разработка метода хранения информации

• разработка метода и загрузки информации на графическое устройство;

• разработка метода визуализации ландшафта;

• разработка методов создания программной системы визуализации ландшафта.

4. Рамки исследования

• Задача решается на идеальной сфере, без учета эллипсоида земли.

• Максимальная детализация ландшафта составляет 0.5м.

• Метод визуализации ландшафта не может отображать подземные части рельефа.

• Задача рассчитана на использования графического устройства.

5. Предмет и объект исследования

Предметом исследования являются комплексные системы тренажеров, требующие отображения ландшафта в реальном масштабе времени, с различной степенью масштабируемости и детализации.

Объектом исследования являются способы представления и передачи исходных данных о рельефе местности и методы трехмерной визуализации ландшафта.

6. Научные результаты

1. Метод визуализации трехмерного ландшафта, позволяющий отображать в реальном масштабе времени местность, масштабируемую по размерам, с различной степенью детализации, с учетом сферичности отображаемой поверхности. Отличие метода визуализации ландшафта связано с применением, кубической проекции для GPU Clipmaps, а так же с повышением точности отображения ландшафта путем предварительного расчета сферической поверхности, перерасчета некоторых матриц для графического конвейера и переноса системы координат.

2. Метод хранения данных о ландшафте, основанный на использовании индексированного квадродерева, позволяющий осуществлять быструю работу с хранилищем информации. Так же особенностью этого метода является использование шаблонов типов в алгоритме доступа к данным, что позволяет вводить новые типы данных, не меняя структуру алгоритма.

3. Метод потоковой загрузки данных о ландшафте на процессор графического устройства, повышающий эффективность поиска информации в индексированном квадродереве и загрузки данных в кэш оперативной памяти. Метод потоковой загрузки данных, отличается использованием шаблонов данных (позволяет отделить структуру алгоритма от типов данных) и прямым доступом к памяти графического устройства, что позволяет снять нагрузку с центрального процессора.

7. Значение полученных результатов для теории и практики

Разработанные в диссертации алгоритмы отображения трехмерного сферического ландшафта, способы хранения данных и их потоковой загрузки в память графического устройства, разработанная библиотека программ вносят вклад в теорию и практику компьютерной графики, применяемой при отображении рельефа поверхности и построения ландшафта.

Разработанная в диссертация система VisioLand - отображения трехмерных ландшафтов используется в тренажерном комплексе компании ОАО " ВНИИНС". Данный программный комплекс позволил объединить системы визуализации и работать различным тренажерным системам в едином виртуальном пространстве.

8. Используемый инструментарий

Платформой разработки программной системы служила операционная у система Windows. Программная реализация осуществлялась на языке С++. В качестве основы системы визуализации была выбрана кроссплатформенная библиотека с открытыми исходными кодами - Ogre3D 1.6, легко интегрируемая в любые приложения.

9. Внедрение

Программный комплекс визуализации трехмерных ландшафтов, разработанный в ходе выполнения диссертационной работы, использовался при создании системы единой моделирующей среды, проектируемой в ОАО «ВНИИНС». Акт о реализации от 10 февраля 2010 года.

10. Апробация

Результаты диссертационной работы применяются в ОАО «ВНИИНС». Результаты диссертации докладывались на конференциях ММТТ в 2009 и в 2010 годах, а также на семинарах кафедры АТПП факультета ФАС и кафедры ПО факультета ФИТ Тверского государственного технического университета.

11. Публикации

Публикации по теме диссертации Статьи, опубликованные в изданиях, включенных в перечень ВАК РФ:

1. Шустиков Д.А. Использование тороидального копирования для пошаговых обновлений текстуры./ Шустиков Д. А.// Международный журнал «Программные Продукты и Системы» 2009г., 4(88), с. 120-122.

2. Дмитриев Г.А. Система визуализации трехмерного ландшафта для интеграции тренажеров буровых установок и комплексов./ Дмитриев Г.А., Шустиков Д.А.// Научно-технический вестник КАРОТАЖНИК, 2011г., 1(199), с. 66-75.

Другие статьи и материалы конференций:

3. Шустиков Д.А. Основные особенности алгоритма вложенных регулярных сеток, использующегося для моделирования рельефа местности./ Шустиков Д.А.// Вестник Тверского Государственного Технического Университета 2009 г., выпуск 14, с. 23-29.

4. Шустиков Д.А. Получение кубической проекции земной поверхности, для визуализации сферического ландшафта./ Шустиков Д.А.// Вестник Тверского Государственного Технического Университета, 2010г., выпуск 15. с. 60-64.

5. Шустиков Д.А. Алгоритм отображения эффекта атмосферы для трехмерной визуализации планет./ Шустиков Д.А.// Вестник Тверского Государственного Технического Университета, 2010г., выпуск 15, с 64-68.

6. Шустиков Д.А. Применение алгоритма вложенных регулярных сеток для визуализации сферического рельефа./ Шустиков Д.А.// XXII Международная научная конференция. Математические Методы в Технике и Технологиях МТТ-22, сборник трудов. 2009 г, том 10, с. 218-221.

Выводы

1. Качественная подготовка операторов, работающих в нефтегазовой отрасли, требует создания комплексных тренажеров, поддерживающих визуализацию окружающей обстановки - создания компьютерных систем ВТК.

2. Частью системы ВТК является система визуализации ландшафта, к которой система ВТК предъявляет определенные требования.

3. При проектировании программной системы VisioLand, осуществляющей визуализацию ландшафта, к системе были предъявлены следующие требования: a. Система должна позволять строить 3D ландшафт в любой точке планеты. b. Размеры отображаемой области ландшафта должны покрывать любую область планеты. c. Система должна обеспечивать отображение ландшафта с частотой не ниже 30 кадров в секунду. d. Максимальная степень детализации реального рельефа должна достигать одного метра. e. Система должна быть открытой, позволяя добавлять или создавать новые ландшафты на основе собственных источников информации (географические карты, матрицы высот, спутниковые снимки).

4. Разработан алгоритм Cubical Clipmap, позволяющий решать весь комплекс проблем, возникающих при визуализации ландшафта: a. построение геометрии ландшафта, b. наложение текстуры с. освещение ландшафта, ё. учет атмосферного гало. е. обеспечение требуемой точности вычислений.

5. Разработан метод хранения информации о ландшафте, позволяющий организовать потоковую передачу данных на процессор графического устройства, обеспечивающий требуемое время отклика.

6. Разработана программная система "УЪюЬапё, использующаяся в системе ВТК для нефтегазовой отрасли.

7. Тестирование системы УЪюЬапё показало, что она удовлетворяет предъявляемым к ней требованиям.

8. Результаты диссертационной работы были внедрены и используются в существующей тренажерной системе, разработанной в ОАО «Концерн ВНИИНС».

9. Примеры кадров ландшафта, снятые во время тестирования системы, представлены на рисунках.

1. 1.EE Std 1516-2000 «IEEE Standard for Modeling and Simulation (M&S) High Level Architecture (HLA) — Framework and Rules», 2000. - 28 c.

2. A.J. Preetham, P. Shirley, and B. Smits. A practical analytic model for daylight. In SIGGRAPH '99: Proceedings of the 26th annual conference on Computer graphics and interactive techniques,

3. ALLIEZ, P., AND DESBRUN, M. 2001. Progressive compression for lossless transmission of triangle meshes. In SIGGRAPH '2001 Conference Proceedings, 198— 205.

4. Ambroziak, R.A., Cook C.A., Woodwell, G.R. and Wicks R.E.: Data, Software, and Applications for Education and Research in Geology (CD publication), United States Geological Survey Open File Report 93-231, 1993.

5. Andrews, G. E. (1963), "A lower bound for the volume of strictly convex bodies with many boundary lattice points", Trans. Amer. Math. Soc. 106,270—279.

6. ArcGIS 9 Картографические проекции Издательство:Е5Я1

7. Arul Asirvatha., Hugues Hopp.: GPUGems 2.Addison-Wesley, 2005, ch.Terrain Rendering Using GPU-Based Geometry Clipmaps, pp.27-46.

8. ARVO, J. 2007. Alias-free shadow maps using graphics hardware, journal of graphics tools 12,1,47-59.

9. BAJAJ, C. L., PASCUCCI, V., AND ZHUANG, G. 1999. Progressive compression and transmission of arbitrary triangular meshes. In Proceedingsof the 1999 IEEE Conference on Visualization (VIS-99), ACM Press,D. Ebert, M. Gross, and B. Hamann, Eds., 307316.

10. Barrett, P. (1994). "Application of the Linear Quadtree to Astronomical Databases", stronomical Data Analysis Software and Systems IV, ASP Conference Series, Eds: R. A. Shaw, H. E. Payne, and J. J. E. Hayes Vol. 77,472.

11. BLINN, J. F. 1982. Light reflection functions for simulation of clouds and dusty surfaces. In SIGGRAPH'82,21-29.

12. Bomford, G. Geodesy, London, Oxford University Press, 1975 ed.

13. BOUTHORS, A., NEYRET, F., AND LEFEBVRE, S. 2006. Realtime realistic illumination and shading of stratiform clouds. In Eurographics Workshop on Natural Phenomena.14. http://www.neoaxis.com/showcase/screenshots.15. http://www.stockaninews.com/

14. CIGNONI P., GANOVELLIF., GOBBETTIE., MARTON F., PONCHIO F., COPIGNO R.: Planet-sized batched dynamic adaptive meshes (p-bdam). In VIS '03: Proceedings of the 14th IEEE Visualization 2003 (VIS'03) (Washington, DC, USA, (003), IEEE Computer Society,

15. CIGNONI, P., MONTANI, C., ROCCHINI, C., AND SCOPIGNO, R. 2003. External memory management and simplification of huge meshes. IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics 9, (in press).

16. CIGNONI, P., PUPPO, E., AND SCOPIGNO, R. 1997. Representation and visualization of terrain surfaces at variable resolution. The Visual Computer 13, 5,199— 217.

17. COHEN-OR, D., AND LEVANONI, Y. 1996. Temporal continuity of levels of detail in delaunay triangulated terrain. In IEEE Visualization '96, IEEE. ISBN 0-89791864-9.

18. Computational Geometry, pages 202-210,1996.21 . CRASSIN, C., AND NEYRET, F. 2007. Representation et algo- rithmes pour 1'exploration interactive de volumes proceduraux 'etendus et d ' etaill' es'. Master's thesis, INPG/UJF M2R IVR.

19. DACHSBACHER, C., AND STAMMINGER, M. 2003. Translucent shadow maps. In Eurographics Workshop on Rendering (EGWR), 197-201.

20. DEERING, M. 1995. Geometry compression. In Comp. Graph. Proc., Annual Conf. Series (SIGGRAPH 95), ACM Press, 13-20.

21. DO" LLNER, J., BAUMANN, K., AND HINRICHS, K. 2000. Texturing techniques for terrain visualization. In IEEE Visualization '00 (VIS '00), IEEE, Washington Brussels - Tokyo, 227-234.

22. DOBASHI, Y., KANEDA, K., YAMASHITA, H., OKITA, T., AND NISHITA, T. 2000. A simple, efficient method for realistic animation of clouds. In SIGGRAPH'00, 19-28.

23. DUCHAINEAU, M., WOLINSKY, M., SIGETI, D., MILLER, M., ALDRICH, C., AND MINEEV-WEINSTEIN, M. 1997. ROAMing terrain: Real-time optimally adapting meshes. In Proceedings IEEE Visualization '97, IEEE, 81-88.

24. Dutton, G. H.:A Hierarchical Coordinate System for Geoprocessing and Cartography, Springer Lecture Notes in Earth Sciences 1999.

25. E. Puppo. Variable resolution terrain surfaces. In Proceedings of the 8th Canadian Conference on

26. EBERT, D. S. 1997. A cloud is born. In SIGGRAPH'97,245. ELINAS, P., AND STURZLINGER ", W. 2000. Real-time rendering of 3D clouds. J. Graph. Tools 5,4, 3345.

27. EUROGRAPHICS 2003 / P. Brunet and D. Fellner (Guest Editors) Volume 22 (2003), Number 3 BDAM Batched Dynamic Adaptive Meshes for High Performance Terrain Visualization

28. Eurographics/IEEE-VGTC Symposiumon Visualization(2006) Thomas Ertl, KenJoy, and Beatriz Santos(Editors): Terrain Rendering using Spherical Clipmaps, Malte Clasen and Hans ChristianHege, Zuse Institute Berlin, Germany

29. EVANS, W., KIRKPATRICK, D., AND TOWNSEND, G. 2001. Right triangulated irregular networks. Algorithmica 30,2 (Mar), 264-286.

30. Fekete "SQL SERVER 2005 HTM Interface Release 4" George Fekete, Jim Gray, Alexander S. Szalay, May 15, 2005, included in this project.

31. Fekete G. (1990). Rendering and managing spherical data with sphere quadtrees. Proceedings of Visualization '90. IEEE Computer Society, Los Alamitos, CA. pp. 176186.

32. Fekete, G. and L. Treinish (1990). "Sphere quadtrees: A new data structure to support the visualization of spherically distributed data." SPIE, Extracting Meaning from Complex Data: Processing, Display, Interaction 1259: 242-253

33. Fournier, Alain, Don Fussell, and Loren Carpenter. 1982. "Computer Rendering of Stochastic Models." Communications of the ACM 25(6), June 1982, pp. 371-384

34. GARDNER, G. Y. 1985. Visual simulation of clouds. In SIGGRAPH'85, ACM Press, 297-304.

35. GARLAND, M., AND HECKBERT, P. 1997. Surface simplification using quadric error metrics. In SIGGRAPH 97 Conference Proceedings, Addison Wesley, Annual Conference Series, 209-216.

36. Goodchild, M. F., Y. Shiren, et al. (1991). "Spatial data representation and basic operations on triangular hierarchical data structure." National Center for Geographic Information and Analysis: Santa Barbara. Technical Report 91-8

37. Goodchild, M.F. and Shiren, Y. (1992). "A Hierarchical Data Structure for Global Geographic Information Systems", CVGIP: Graphical Models and Image Processing, 54, 31-44.

38. GOODNIGHT, N., WANG, R., WOOLLEY, C„ AND HUMPHREYS, G. 2003. Interactive time-dependent tone mapping using programmable graphics hardware. In Eurographics orkshop on Rendering (EGRW), 26-37.

39. GORMAN, M. 2003. Understanding the linux virtual memory manager.

40. Gray, J., Szalay, A.S. Fekete, G., O'Mullane, W. Nieto-Santisteban, M.A., Thakar, A.R., Heber, G., Rots, A.H. (2004). "There Goes the Neighborhood: Relational Algebra for Spatial Data Search", Microsoft Technical Report, MSR-TR-2004-32, April 2004

41. Gray. "There Goes the Neighborhood: Relational Algebra for Spatial Data Search", Jim Gray, Alexander S. Szalay, Gyorgy Fekete, Wil O'Mullane, Maria A. NietoSantisteban, Aniruddha R. Thakar, Gerd Heber, Arnold H. Rots, MSR-TR-2004-32, April 2004

42. H.W. Jensen, F. Durand, J. Dorsey, M.M. Stark, P. Shirley, and S. Premoze. A physically-based night sky model. In SIGGRAPH '01: Proceedings of the 28th annual conference on Computer graphics and interactive techniques, pages 399- 408,2001.

43. HARRIS, M. J., AND LASTRA, A. 2001. Real-time cloud rendering. Computer Graphics Forum 20,3,76-84.

44. HEGEMAN, K., ASHIKHMIN, M., AND PREMOZEv, S. 2005. A lighting model for general participating media. In ACM SIGGRAPH Symposium on Interactive 3D graphics and games (I3D), 117-124.

45. JENSEN, H. W., MARSCHNER, S. R., LEVOY, M., AND HANRAHAN, P. 2001. A practical model for subsurface light transport. In SIGGRAPH'01, 511-518

46. Kunszt, P. Z., Szalay, A. S., Csabai, I., & Thakar, A. R. (2000). "The Indexing of the SDSS Science Archive", In ASP Conf. Ser., Astronomical Data Analysis Software and Systems IX, eds. N. Manset, C. Veillet, D. Crabtree, Vol. 216,141.

47. Lee, M. and Samet, H. (1998). "Navigating through triangle meshes implemented as linear quadtrees". 22 Technical Report 3900, Department of Computer Science, University of Maryland, April 1998.

48. Lischinski, D. ¡Incremental Delauny Triangulation, article published in The Graphics Gems Series, Volume IV, pp. 47-59, AP Professional 1994.

49. Losasso, Frank, and Hugues Hoppe. 2004. "Geometry Clipmaps: Terrain Rendering Using Nested Regular Grids." ACM Transactions on Graphics (Proceedings of SIGGRAPH 2004) 23(3), pp. 769-776.

50. M.H. Gross, R. Gatti, and O. Staadt. Fast multiresolution surface meshing. In VIS '95: Proceedings of the 6th conference on Visualization '95, page 135,1995.

51. N. Hoffman and A.J. Preetham. Real-time light-atmosphere interactions for outdoor scenes. Graphics programming methods, pages 337-352,2003.

52. N.L. Max. Atmospheric illumination and shadows. In SIGGRAPH '86: Proceedings of the 13 th annual conference on Computer graphics and interactive techniques, pages 117-124, 1986.

53. O'Rourke, R.:Computational Geometry in C, Cambridge University Press 1994.

54. P. Cignoni, F. Ganovelli, E. Gobbetti, F. Marton, F. Ponchio, and R. Scopigno. BDAM batched dynamic adaptive meshes for high performance terrain visualization. Computer Graphics Forum, 22(2):505-514,2003.

55. P. Cignoni, F. Ganovelli, E. Gobbetti, F. Marton, F. Ponchio, and R. Scopigno. Planet-sized batched dynamic adaptive meshes (P-BDAM). In Proc. IEEE Visualization, pages 147-155,2003.

56. R.S. Nielsen. Real time rendering of atmospheric scattering effects for flight simulators. Master's thesis, Informatics and Mathematical Modelling, Technical University of Denmark, DTU, 2003.

57. S. O'Neal. Accurate atmospheric scattering. GPU Gems, 2:253-268, 2005.

58. S. O'Neal. Real-time atmospheric scattering, www.gamedev.net 2004.

59. S. Rottger, W. Heidrich, P. Slusallek, and H.-P. Seidel. Real-time generation of continuous levels of detail for height fields. In Proc. WSCG '98, pages 315-322,1998.

60. S. Sekine. Optical characteristics of turbid atmosphere. J Ilium Eng Int Jpn, 71(6):333, 1992.

61. Samet, H. (1989). The Design and Analysis of Spatial Data Structures, Addison Wesley.

62. Samet, H. (1990). Application of Spatial Data Structures, Addison Wesley

63. Sametl. Applications of Spatial Data Structures: Computer Graphics, Image Processing, and GIS, Hanan Samet, Addison-Wesley, Reading, MA, 1990. SBN0-201-50300-0.

64. Samet2 The Design and Analysis of Spatial Data Structures, Hanan Samet, AddisonWesley, Reading, MA, 1990. ISBN 0-201-50255-0.

65. Sedgewick, R.: Algorithms, Addison-Wesley 1983.

66. Short, N.M., Cromp, R.F., Campbell, W.J., Tilton, J.C., LeMoigne, J., Fekete, G., Netanyahu, N.S., Wichmann, K., Ligon, W.B. (1995). "Mission to Plane Earth: AI Views the World", IEEE Expert, June, 1995, pp 24-34.

67. Song, L., Kimerling, A.J. and Sahr, K. (2000). "Developing an Equal Area Global Grid by mall Circle Subdivision", Proc. International Conference on Discrete Global Grids, Santa Barbara, CA, March 26-28,2000.

68. Szalay. "Indexing the Sphere with the Hierarchical Triangular Mesh", Alexander S. Szalay, Jim Gray, George Fekete, Peter Z. Kunszt, Peter Kukol, Aniruddha R. Thakar, To appear, included in this project.

69. T. Nishita, T. Sirai, K. Tadamura, and E. Nakamae. Display of the earth taking into account atmospheric scattering. In SIGGRAPH '93: Proceedings of the 20th annual conference on Computer graphics and interactive techniques, pages 175-182, 1993.

70. Tanner, Christopher, Christopher Migdal, and Michael Jones. 1998. "The Clipmap: A Virtual Mipmap." In Computer Graphics (Proceedings of SIGGRAPH 98), p. 151-158

71. Tech. rep., University of Limerick, IE. HOPPE, H. 1997. View-dependent refinement of progressive meshes. In SIGGRAPH 97 Conference Proceedings, Addison Wesley, T. Whitted, Ed., Annual Conference Series, ACM SIGGRAPH, 189-198. ISBN 0-89791-896-7.

72. The SkyQuery homepage: http://skyquery.net; also see http://openskyquery.net

73. The Sloan Digital Sky Survey archive: http://skyserver.sdss.org/

74. The STScI Guide Star Catalog: http://www-gsss.stsci.edu/gsc/gsc2/GSC2home.htm

75. The SuperCOSMOS Sky Surveys: http://www-wfau.roe.ac.uk/sss

76. The Virtual Sky website: http://virtualsky.org

77. W.M. Cornette and J.G. Shanks. Physical reasonable analytic expression for the single-scattering phase function. Applied Optics, 31 (16):3152—3160,1992.

78. Y. Dobashi, T. Yamamoto, and T. Nishita. Interactive rendering of atmospheric scattering effects using graphics hardware. In HWWS '02: Proceedings of the ACM SIGGRAPH / EUROGRAPHICS conference on Graphics hardware, pages 99-107,2002.

79. Александров П. С. Курс аналитической геометрии и линейной алгебры. — М.: Наука, Главная редакция физико-математической литературы, 1979, 512 с.

80. Аппаратное обеспечение IBM PC © Александр Фролов, Григорий Фролов Том 2, книга 1, М.: Диалог-МИФИ, 1992,208 стр.

81. Банковский Ю.М., Галактинов В.А., Современные проблемы компьютерной графики, леции для молодых исследователей

82. Беклемишев Д. В. Курс аналитической геометрии и линейной алгебры: Учеб. Для вузов. 10-ое издание

83. Бугров Я.С., Никольский С.М. Высшая математика, т.1. М., Дрофа, 2004. -284 с.

84. Е. А. Юсов. Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, 2008, №2, с158-165 Алгоритм фотореалистичного отображения рельефа путем комбинирования текстур, управляемого локальными особенностями поверхности.

85. Карманов В.Г. Математическое программирование, Москва ФМЛ, 1975

86. Компьютерная графика и стандарт OpenGL 3-е издание Дональд Херн, М. Паулин Бейкер

87. Ландшафт шаг за шагом. Серба Андрей, http://www.gamedev.ru/arcticles/7id-30015

88. Расширения OpenGL http://steps3d.narod.ru

89. Смирнов В.И., «Курс высшей математики», Наука 1969

90. Создание ЗБ-ландшафтов в реальном времени с использованием С++ и DirectX 9, Автор: Грег Снук, Издательство: КУДИЦ-Образ