Визуализация трехмерного ландшавта в комплексных тренажерных

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 « 16 » ноября 2011г.
Ученый секретарь диссертационного совета
д.т.н., профессор
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,
3
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:
4
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 исследованияявляются способы представления и передачи
исходных данных о рельефе местности и методы трехмерной визуализации
ландшафта.
Предметом исследованияявляются комплексные системы тренажеров,
требующие отображения ландшафта в реальном масштабе времени, с
различной степенью масштабируемости и детализации.
Методами исследованияявляются 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
разработанметод
визуализации
ландшафтаCubicalClipmap,
применимый в комплексной системе тренажеров нефтегазовой
отрасли,
отвечающий требованиям по времени отклика,
масштабируемости, степени детализации.
2. Разработана и протестирована программная системаVisioLand,
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 ландшафтаCubicalClipmaps,
использующий кубическую проекцию.
6. Создана библиотека программ, реализующих алгоритмы хранения,
потоковой загрузки и визуализации рельефа земной поверхности.
5
Достоверность и обоснованность научных результатов, выводов и
рекомендаций диссертации определяются корректным применением
указанных методов, а также верификацией и проверкой соответствия
реализованной программной системывнешним 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 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
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 опередаче результатовразработки.
6
Апробация.
Диссертационная работапрошла 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
главепроводится
анализ
предметной
области.Рассматривается
применение
компьютерныхтренажеров
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.
7
Во второй главепроводится 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
системыVisioLand. В параграфе 2.6 рассматриваются характеристики
различных
систем,
задающих
высокоуровневоеAPI.
В
немалой
степениважной 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 mуровней вложенных регулярных
сеток, отцентрированных вокруг позиции наблюдателя. На каждом уровне
массив вершин имеет один и тот же размер n * n 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:
⁄
Недостатком метода GPU Clipmapявляется то, что он основан на
проекции сферы на плоскость, что приводит к существенным ошибкам, когда
визуализация требует учета сферичности.
Второй проанализированный метод – SphericalClipmap позволяет
учесть сферичность отображаемого ландшафта. В этом методе также
строится регулярная сетка в координатах φи θ (широта и долгота), что
позволяет и здесь использовать регулярные вложенные сетки для учета
степени детализации.
Метод SphericalClipmap 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.
8
В третьей главепредставлен разработанный нами алгоритм
CubicalClipmaps, предназначенныйдля отображения трехмерного ландшафта
в тренажерных системах нефтегазовой промышленности. Программная
система VisioLand, построенная на основе этого алгоритма, показала, 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.
Прихранении 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
сфередля каждой стороны куба. Для боковых сторон:
  arctg (x)
  arctg (
y
1 x2
)
Для верхней стороны:
  arctg
1
x2  y 2
  2  arcsin(
,
1
) , если y  0 и     arcsin(
x2  y2
При этом если  >  , то  =  - 2 .
1
x2  y2
) , если y  0
Для нижней стороны:
  arctg
1
x2  y2
,
9
  arcsin(
1
x2  y2
) , если y  0 и     arcsin(
1
x2  y2
) , если y  0
При этом если    , то     2 .
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
10
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.
Рисунок 3:
Пример текстуры, на которой представлены нефтяные
платформы и данные об ураганном прогнозе ветров
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  Li ki ( s  n) )
и
Фонга(
Ls  Li ki (v  r ) 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,
11
подлежащий визуализации и Po одна из его точек, формирующих объект.
Тогда перед выводом на экран ее координаты будут пересчитаны по
формуле:
P  Po * M t * M v * M p ,
M
где M t - матрица трансформации, M v - матрица вида, p - 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 центральном 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 главерассматривается разработка программной
библиотеки
отображения
трехмерного
ландшафтаVisioLand.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
тренажерногокомплекса (ВТК), частью которой является система VisioLand,
предъявляет ряд требований к системе визуализации ландшафта.
Сформулируем требования, которые были предъявлены приразработке
системыVisioLand:
12
 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(OpenGraphicsRenderEngine)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 графического движка.
 В состав
библиотеки должны входить интерфейсы для
управления этим процессом.
СистемаVisioLand, удовлетворяющая этим требованиям, была
реализована. На рис. 5 показана структура системы VisioLand и ее
взаимодействие с ВТК.
13
VisioLand
ПС генерации
ландшафта
ПС
визуализации
ландшафта
Хранилище данных о
ландшафте
ВТК
Интерфейсы
библиотеки
VisioLand
Пользовательские данные о
ландшафте (спутниковые
снимки, матрицы высот,
электронные карты)
Рисунок 4:
Структурная схема библиотеки VisioLand 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 Generateконвертирует
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,
которыепозже 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.
14
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 CubicalClipmap, 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:
15
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.
16