Бугрий Андрей Николаевич )
advertisement
Для заказа доставки диссертации введите ее название в форму поиска на сайте (http://mydisser.com/ru/search.html) ХАРЬКОВСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ На правах рукописи Бугрий Андрей Николаевич УДК 681.323 МОДЕЛИ И СТРУКТУРЫ УСТРОЙСТВ ФОРМИРОВАНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЙ СВЕТОВЫХ И ТЕНЕВЫХ ЭФФЕКТОВ В СИСТЕМАХ ВИЗУАЛИЗАЦИИ ТРЕНАЖЕРОВ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ 05.13.13 – вычислительные машины, системы и сети Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук Научный руководитель: Гусятин Владимир Михайлович кандидат технических наук, доцент Харьков – 2005 СОДЕРЖАНИЕ СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ 6 ВВЕДЕНИЕ 7 РАЗДЕЛ 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 13 1.1. История развития компьютерной графики 13 1.2. Трехмерная компьютерная графика 14 1.3. Области использования трехмерной графики 16 1.4. Системы визуализации тренажеров транспортных средств 17 1.5. Моделирование световых и теневых эффектов 20 1.6. Проблемы аппаратной реализации систем визуализации 24 1.7. Основные направления развития архитектуры графических систем реального времени 1.8. Постановка задачи исследования 26 27 РАЗДЕЛ 2. МОДЕЛИ И АЛГОРИТМЫ СИНТЕЗА ИЗОБРАЖЕНИЙ СВЕТОВЫХ ЭФФЕКТОВ 29 2.1. Особенности синтеза изображений световых эффектов 29 2.2. Видимость объектов сцены 30 2.2.1. Пороговая освещенность 30 2.2.2. Дальность видимости объектов сцены 32 2.3. Математическая модель синтеза изображения световых эффектов 33 2.3.1. Расчет освещенности от элементов сцены 34 2.3.2. Рассеяние светового потока в глазной среде 37 2.3.3. Рассеяние светового потока на стекле 38 2.3.4. Рассеяние светового потока в атмосфере 39 2.3.4.1. Рассеяние света в атмосфере 39 2.3.4.2. Учет рассеянной составляющей вдоль проекционного луча 41 2.3.4.3. Учет рассеянной составляющей от источников света произвольной направленности 48 2.4. Особенности вывода на устройства отображения 53 2.5. Классификационное описание и сканирование источников света 56 2.5.1. Классификационное описание источников света 57 2.5.2. Общий подход к сканированию оболочек источников света 59 2.5.3. Алгоритм синтеза изображения источников света в базовой системе координат 60 2.5.4. Алгоритм синтеза изображения источников света в системе координат наблюдателя 2.6. Выводы 64 67 РАЗДЕЛ 3. МЕТОДЫ И АЛГОРИТМЫ СИНТЕЗА ИЗОБРАЖЕНИЙ ТЕНЕВЫХ ЭФФЕКТОВ 69 3.1. Особенности синтеза изображений теней в СВ 69 3.2. Классификация теневого пространства, формируемого рельефом 70 3.3. Сканирование теневых фигур объектов сцены 77 3.4. Алгоритм синтеза изображения тени 90 3.5. Расчет интенсивности тени 94 3.6. Выводы 97 РАЗДЕЛ 4. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ И ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ. СТРУКТУРНЫЕ И ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ СХЕМЫ СПЕЦВЫЧИСЛИТЕЛЯ 4.1. Математическое моделирование разработанных алгоритмов 4.1.1. Математическое моделирование алгоритмов синтеза 98 98 изображения световых эффектов 99 4.1.2. Математическое моделирование алгоритмов синтеза изображения теневых эффектов 4.2. Функциональная схема графического спецпроцессора для СВ 105 109 4.2.1. Структура СВ 109 4.2.2. Общая структура графического спецпроцессора СВ 110 4.2.3. Структура и функционирование СП формирования изображения источников света 112 4.2.4. Структура и функционирование блоков вычисления точки пересечения ПЛ с ИС и ФР 113 4.2.5. Структура и функционирование блока "захвата" источников света 115 4.2.6. Структура и функционирование СП формирования изображения теневых эффектов 116 4.2.7. Структура и функционирование блока вычисления тени от рельефа 118 4.2.8. Структура и функционирование блока вычисления тени от объектов 4.3. Имитационное моделирование спецвычислителя 119 120 4.3.1. Математическая модель быстрых вычислений для спецвычислителя рассеянной составляющей 4.3.2. Формат данных вычислителя 120 121 4.3.3. Структурная схема устройства и результаты моделирования 4.4. Выводы 122 125 ВЫВОДЫ 126 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 129 Приложение А. Примеры изображений 140 Приложение Б. Таблица рассеянного света 146 Приложение В. Результаты имитационного моделирования 148 Приложение Г. Документы внедрения 149 ВВЕДЕНИЕ Актуальность темы. Работа посвящена усовершенствованию существующих и проектированию новых аппаратно-программных средств синтеза изображения в реальном времени, а именно усовершенствованию и разработке систем визуализации (СВ) тренажеров транспортных средств. Работы в области разработки научных основ создания СВ имеют для Украины большое значение: модернизация и создание новых СВ позволит модернизировать парк тренажеров, повысить качество подготовки операторов транспортных средств, избежать риска при отработке внештатных ситуаций, снизить расход горючего. Вклад в область компьютерной графики и создания СВ внесли такие ученые, как J.D. Foley, K. Akeley, P. Slusallek, S. Roettger, В.П. Иванов, А.С. Батраков, М.В. Михайлюк, В.С. Бабенко, А.Я. Белецкий, А.Т. Иванченко, Е.А. Башков, Ю.А. Коба, С.А. Зори, В.М. Гусятин, А.М. Ковалев и др. К СВ тренажеров транспортных средств предъявляют следующие основные требования: - достаточно подробная виртуальная модель объектов, а также окружающей среды (небо, звезды, водная и земная поверхность и т.д.); - хорошее качество визуализации, без ступенек на границах объектов, без исчезновения или мигания мелких деталей (явление алиайсинга); - работа в реальном времени, т.е. визуализация сцены со скоростью не менее 30 кадров в секунду; - малая величина задержки от момента поступления управляющего воздействия до адекватного изменения изображения; - имитация погодных условий (дождь, снег, дымка, туман); - высокую реалистичность синтезируемого изображения; - возможность отображать сцену больших пространств и детальности. Особенно высокие требования предъявляют к реалистичности изображения в системах синтеза визуальной обстановки для тренажеров транспортных средств. Повышенные требования к адекватности синтезируемой сцены приводят к увеличению детализации изображения, необходимости отработки теней, источников света (ИС), учета прозрачности атмосферы, а также генерации различных спецэффектов. В настоящее время для формирования 3D-изображений в компьютерной графике используются в основном прямой и обратный методы трассирования лучей. Метод прямого трассирования хорошо проработан, однако единственным типом графических примитивов, которые могут отображаться с его использованием, являются треугольники, что приводит к низкой реалистичности изображения. Применение метода обратного трассирования лучей позволяет использовать при аппроксимации естественных и искусственных объектов сцены поверхности, задаваемые аналитически. Алгоритмы визуализации таких объектов в СВ реального времени требуют высокой производительности. Чаще всего это достигается за счет использования кластерных систем, что существенно увеличивает стоимость системы визуализации. Создание специализированных графических вычислительных устройств позволяет снизить стоимость техники при повышении качества и насыщенности деталями отображаемой в реальном времени трехмерной сцены. Связь работы с научными программами. Диссертационная работа написана на базе г/б темы Харьковского национального университета радиоэлектроники № 179 “Исследование и разработка методов, структурных и архитектурных принципов, аппаратных и программных средств быстрых цифровых преобразований изображения”. В рамках этой темы автором разработаны математические модели, алгоритмы и структуры устройств синтеза изображений световых и теневых эффектов для применения в системах визуализации тренажеров транспортных средств, ориентированных на метод обратного трассирования. Цель и задачи исследования. Цель работы – разработка моделей, методов, алгоритмов и структур спецпроцессоров для формирования изображений световых и теневых эффектов методом обратного трассирования, обладающих повышенной производительностью и синтезирующих изображение с высокой степенью реалистичности. Основные задачи: 1. Разработка математической модели для синтеза изображения источников света с учетом свойств рассеивающей среды, ориентированной на метод обратного трассирования, позволяющей повысить реалистичность синтезируемой сцены; 2. Разработка методов для синтеза изображения теней от рельефа и искусственных подвижных и неподвижных объектов, ориентированных на метод обратного трассирования, работающей в реальном времени; 3. Проверка полученных моделей и алгоритмов путем математического моделирования; 4. Разработка структурных и функциональных схем устройств для создания спецэффектов. Объект исследования – существующие методы и средства синтеза изображений в системах визуализации тренажеров транспортных средств. Предмет исследования – модели, алгоритмы и структуры спецпроцессоров для формирования методом обратного трассирования изображений световых и теневых эффектов в СВ реального времени. Методы исследования. При проведении исследований применялись методы аналитической геометрии, линейной алгебры, математический аппарат аппроксимации. При разработке вычислительных устройств применялись методы анализа и синтеза цифровых систем. Для проверки работоспособности разработанных алгоритмов, а также для выяснения их характеристик были использованы методы работоспособности математического отдельных блоков моделирования. Для спецпроцессора проверки применялось имитационное моделирование. Научная новизна полученных результатов. При решении поставленных задач автором были получены следующие научные результаты: 1. Впервые предложена модель синтеза изображений источников света произвольной направленности с учетом эффектов рассеяния в атмосфере, ориентированная на проектирование аппаратно-программных средств систем визуализации. Модель базируется на представлении рассеивающей среды в виде частиц, которые характеризуются размером, плотностью и индикатрисами рассеяния. Использование модели позволяет разрабатывать графические спецвычислители, имеющие возможность обрабатывать в сцене большое количество источников света с учетом рассеивающей среды. 2. Впервые предложен метод классификационного описания теневого пространства от рельефа, ориентированный на разработку аппаратно- программных средств для систем визуализации. Метод классификационного описания позволяет за счет выполнения части вычислений на этапе подготовки данных сократить общее количество вычислений при синтезе изображения в реальном времени. Использование метода дает возможность проектировать высокопродуктивные аппаратно-программные средства для синтеза изображения теней от рельефа как на сам рельеф, так и на объекты сцены. 3. Получил дальнейшее развитие метод сканирования движущихся объектов с целью усовершенствования аппаратно-программных средств систем визуализации. Развитие метода сканирования состоит в адаптации его для сканирования теневых фигур движущихся объектов. При этом формируются изображения теней от объектов сцены на рельеф, другие объекты сцены и самих на себя. Использование метода позволяет реализовать высокопродуктивную систему визуализации для тренажеров транспортных средств. 4. Получила дальнейшее развитие модель синтеза изображений, которая базируется на учете физиологии зрения человека и особенностях устройств отображения. Модель устанавливает соответствие между световыми характеристиками (заданными в реальных физических величинах) всех объектов сцены и характеристиками устройств отображения. Данный подход позволяет проектировать аппаратно-программные средства с возможностью синтеза высокореалистичных изображений, что является важным при эксплуатации систем визуализации на тренажерах транспортных средств. Практическое значение полученных результатов состоит в том, что разработаны: алгоритм синтеза изображения источников света с учетом рассеяния светового потока в атмосфере; алгоритм сканирования и “захвата” источников света; алгоритм составления классификационного описания теневого пространства, формируемого рельефом; алгоритм сканирования теневых фигур объектов сцены; алгоритм синтеза изображения теней от рельефа и искусственных объектов. На базе этих алгоритмов разработаны структурные и функциональные схемы спецпроцессоров формирования световых и теневых эффектов для метода обратного трассирования. Структурные схемы разработанных вычислительных устройств могут быть использованы при построении цифровой системы визуализации реального времени, что позволит повысить реалистичность синтезируемого изображения, расширить диапазон возможных упражнений, и, как следствие, повысить уровень подготовки операторов транспортных средств. Научные результаты, полученные в ходе выполнения диссертационной работы, были использованы при модернизации блока отображения огней в составе системы визуализации авиационного тренажера Ту-154М (справка о внедрении от 12.06.03), установленного в Украинском государственном учебносертификационном центре гражданской авиации в г. Киеве. Также результаты выполнения диссертационной работы внедрены в учебный процесс на кафедре электронных вычислительных машин ХНУРЭ в курсе «Проектирование спецпроцессоров» (акт внедрения от 15.10.03). Апробация результатов диссертации. Результаты исследований были обнародованы на I-й Международной конференции "Проблемы информатики и моделирования 2002", Харьков, ХНТУ, 2002 г.; на V-ой Международной научно-технической конференции «АВИА-2003», НАУ, Киев, 2003 г.; на VII-м Международном молодежном форуме «Радиоэлектроника и молодежь в XXI веке», Харьков, ХТУРЭ, 2002 г.; на II-й и III-й Международных конференциях "Проблемы информатики и моделирования 2003", Харьков, ХНТУ, 2003 г. Публикации. Результаты диссертации опубликованы в 10 печатных работах: 8 статьях в научных сборниках, которые входят в перечень ВАК Украины, 2 материалах конференций. ВЫВОДЫ В диссертационной работе приведен ряд решений научных задач, которые выражаются в разработке моделей, алгоритмов работы спецпроцессоров и структур спецпроцессоров для синтеза изображений световых и теневых эффектов в реальном времени, использование которых позволит повысить реалистичность изображения. Полученные результаты имеют важное научное и практическое значение как для усовершенствования существующих, так и для создания новых эффективных систем визуализации тренажеров транспортных средств. Проведенные исследования позволяют сделать следующие выводы: 1. В результате анализа методов и аппаратно-программных средств формирования изображений и требований к системам визуализации тренажеров транспортных средств обоснован выбор метода обратного трассирования и необходимость создания моделей синтеза световых и теневых эффектов в сцене с целью усовершенствования аппаратно-программных средств для систем синтеза позволяющая учесть визуализации. 2. Предложена модель изображений, физиологию зрения человека и особенности устройств отображения. Модель базируется на том, что световые характеристики всех объектов сцены определяются в реальных физических характеристиках, которые в последствии переводятся в характеристики устройства отображения. Применение модели позволяет повысить реалистичность синтезируемого изображения, и, как следствие, повысить качество подготовки операторов на тренажерах транспортных средств. 3. Впервые предложена математическая модель синтеза изображений как направленных, так и ненаправленных источников света с учетом эффектов рассеивания в атмосфере. Модель базируется на представлении рассеивающей среды в виде частиц, характеризующихся размером, плотностью и индикатрисами рассеяния, что дает возможность имитировать такие явления, как рассеяние на частицах тумана, дыма, пыли и др. Использование модели позволяет проектировать аппаратно-программные средства синтеза изображений, имеющие возможность обрабатывать большое количество источников света в сцене с учетом рассеивающей среды. 4. Получил дальнейшее развитие алгоритм “захвата” источников света. При синтезе изображения источников света методом обратного трассирования, взаимное перемещение возникновению явления наблюдателя алиайсинга и источника (мигания). света приводит Предложенный к алгоритм позволяет разрабатывать аппаратно-программные средства устранения явления алиайсинга за счет выполнения операции “захвата” источников света любой формы, произвольно расположенных в пространстве. 5. Впервые предложен метод классификационного описания теневого пространства от рельефа. Метод ориентирован на проектирование аппаратнопрограммных средств для систем визуализации. Он базируется на ограничении пространства рельефа оболочкой, и распределении пространства внутри оболочки на домены. Для каждого домена выполняется классификация участков рельефа, затеняющих пространство внутри исследуемого домена. Использование метода классификационного описания позволяет: синтезировать изображения теней от рельефа как на сам рельеф, так и на объекты сцены; за счет выполнения части вычислений по синтезу изображения на этапе подготовки данных сократить общее количество вычислений в реальном времени, что дает возможность разрабатывать аппаратно-программные средства синтеза изображений высокой продуктивности. 6. Получил дальнейшее развитие метод сканирования движущихся объектов с целью усовершенствования аппаратно-программных средств систем визуализации. Развитие метода сканирования состоит в адаптации его для сканирования теневых фигур движущихся объектов. Предложенный метод сканирования позволяет в реальном времени формировать изображения теней от движущихся объектов сцены на рельеф, другие объекты сцены и самих на себя. Использование метода дает возможность реализовать высокопродуктивную систему визуализации для тренажеров транспортных средств. 7. На основе предложенных методов классификации теневого пространства, формируемого рельефом, и сканирования теневых оболочек объектов сцены разработан алгоритм синтеза изображений теневых эффектов, на базе которого возможно проектирование архитектуры спецвычислителя системы визуализации реального времени. 8. Подтверждено результатами математического и имитационного моделирования, что разработанные модели и алгоритмы можно использовать для формирования реалистичного изображения световых и теневых эффектов. 9. Разработаны структурные и функциональные схемы спецпроцессоров формирования изображения световых и теневых эффектов с использованием параллельно-конвейерного принципа, что позволяет построить на их основе систему визуализации реального времени. 10. Практическое значение подтверждается внедрением результатов диссертационной работы на авиационном тренажере КТС Ту-154М в УГ УСЦГА, г. Киев (справка о внедрении от 12.06.2003), а также в учебный процесс на кафедре ЭВМ ХНУРЭ, г. Харьков (акт о внедрении от 15.10.2003).