\bookfoldsheets0bookfoldsheets0Харківський національний університет радіоелектроніки

Бугрій Андрій Миколайович

УДК 681.323

МОДЕЛІ І СТРУКТУРИ ПРИСТРОЇВ ФОРМУВАННЯ ЗОБРАЖЕНЬ СВІТЛОВИХ І ТІНЬОВИХ ЕФЕКТІВ У СИСТЕМАХ ВІЗУАЛІЗАЦІЇ ТРЕНАЖЕРІВ ТРАНСПОРТНИХ ЗАСОБІВ

05.13.13 – обчислювальні машини, системи та мережі

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук

Харків – 2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Харківському національному університеті радіоелектроніки Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник кандидат технічних наук, доцент

Гусятін Володимир Михайлович,

Харківський національний університет радіоелектроніки,

професор кафедри електронних обчислювальних машин.

Офіційні опоненти:– 

доктор технічних наук, професор Кривуля Геннадій Федорович, Харківський національний університет радіоелектроніки, завідувач кафедри автоматизації проектування обчислювальної техніки;– 

доктор технічних наук, професор Дмитрієнко Валерій Дмитрович, Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", професор кафедри "Обчислювальної техніки та програмування".

Провідна установа

Вінницький національний технічний університет, кафедра обчислювальної техніки, Міністерство освіти і науки України, м. Вінниця.

Захист відбудеться “ 14 ” грудня 2005 р. о 13:00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д .052.01 у Харківському національному університеті радіоелектроніки за адресою: 61166, м. Харків, пр. Леніна, 14.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Харківського національного університету радіоелектроніки за адресою: 61166, м. Харків, пр. Леніна, 14.

Автореферат розісланий  “ 10 ” листопада 2005 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради С.Ф. Чалий

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Робота присвячена вдосконаленню існуючих і створенню нових апаратно-програмних засобів синтезу зображення в реальному часі, зокрема вдосконаленню і розробці систем візуалізації (СВ) тренажерів транспортних засобів.

Роботи в області розробки наукових основ створення СВ мають для України велике значення: модернізація і створення нових СВ дозволить підвищити якість підготовки операторів транспортних засобів, уникнути ризику при відпрацьовуванні позаштатних ситуацій, знизити витрати пального. Значний внесок в область комп’ютерної графіки та створення СВ внесли такі вчені, як: J.D. Foley, K.P. S.В.П. Іванов, А.С. Батраков, М.В. Михайлюк, В.С. Бабенко, А.Я. Бєлєцкий, А.Т. Іванченко, Е.А. Башков, Ю.А. Коба, С.А. Зорі, В.М. Гусятін, А.М. Ковальов та ін.

До СВ тренажерів транспортних засобів висувають такі основні вимоги:

- достатньо детальна віртуальна модель об'єктів, а також навколишнього середовища (небо, зірки, водяна і земна поверхня і т.д.);

- гарна якість візуалізації, без сходинок на границях об'єктів, без зникнення або миготіння дрібних деталей (явище аліайсингу);

- робота в реальному часі, тобто візуалізація сцени зі швидкістю не менш 30 кадрів у секунду;

- невелика величина затримки від моменту надходження керуючого впливу до адекватної зміни зображення;

- імітація погодних умов (дощ, сніг, туман);

- високу реалістичність синтезованого зображення;

- можливість відображати сцену великих просторів.

Особливо високі вимоги висувають до реалістичності зображення в системах синтезу візуальної обстановки для тренажерів транспортних засобів. Підвищені вимоги до адекватності синтезованої сцени призводять до збільшення деталізації зображення, необхідності відпрацьовування тіней, джерел світла (ДС), врахування прозорості атмосфери, а також генерації різних спецефектів.

Сьогодні для формування 3D-зображень у комп'ютерній графіці використовуються в основному прямий і зворотний методи трасування променів. Метод прямого трасування добре досліджений, однак єдиним типом графічних примітивів, що можуть відображатися з його використанням, є трикутники. Це призводить до низької реалістичності зображення. Застосування методу зворотного трасування променів дозволяє використовувати при апроксимації природних і штучних об'єктів сцени поверхні, що задаються аналітично. Алгоритми візуалізації таких об'єктів у СВ реального часу вимагають значної продуктивності. Найчастіше це досягається за рахунок використання кластерних систем, що істотно збільшує вартість системи візуалізації. Створення спеціалізованих графічних обчислювальних пристроїв дозволяє знизити вартість техніки при підвищенні якості і насиченості деталями відображуваної в реальному часі тривимірної сцени.

Зв'язок роботи з науковими програмами. Дисертаційна робота написана на базі д/б теми Харківського національного університету радіоелектроніки № “Дослідження і розробка методів, структурних і архітектурних принципів, апаратних і програмних засобів швидких цифрових перетворень зображення”. У рамках цієї теми автором розроблено математичні моделі, алгоритми і структури пристроїв синтезу зображень світлових і тіньових ефектів для застосування у системах візуалізації тренажерів транспортних засобів, орієнтованих на метод зворотного трасування.

Мета і задачі дослідження. Мета роботи – розробка моделей, методів, алгоритмів і структур спецпроцесорів для формування зображень світлових і тіньових ефектів для методу зворотного трасування, які мають підвищену продуктивність і синтезують зображення з високим ступенем реалістичності.

Основні задачі:

1. Розробка математичної моделі для синтезу зображення джерел світла з урахуванням властивостей розсіювального середовища орієнтованої на метод зворотного трасування, що дозволяє підвищити реалістичність синтезованого зображення.

2. Розробка методів для синтезу зображення тіней від рельєфу і штучних об'єктів, орієнтованих на метод зворотного трасування, що працюють в реальному часі.

3. Перевірка отриманих моделей і методів шляхом математичного моделювання.

4. Розробка структурних і функціональних схем пристроїв для створення спецефектів.

Об'єкт дослідження – існуючі методи і засоби синтезу зображень у системах візуалізації тренажерів транспортних засобів.

Предмет дослідження – моделі, алгоритми і структури спецпроцесорів для формування методом зворотного трасування зображень світлових і тіньових ефектів у системах візуалізації реального часу.

Методи дослідження. Під час проведення досліджень застосовувалися методи аналітичної геометрії, лінійної алгебри, математичний апарат апроксимації. Під час розробки обчислювальних пристроїв застосовувалися методи аналізу і синтезу цифрових систем. Для перевірки працездатності розроблених алгоритмів, а також для з'ясування їхніх характеристик було використано методи математичного моделювання. Для перевірки працездатності окремих блоків спецпроцесора застосовувалося імітаційне моделювання.

Наукова новизна результатів дисертаційної роботи. При вирішенні поставлених задач автором було отримано такі наукові результати:

1. Вперше запропоновано модель синтезу зображень джерел світла довільної спрямованості з урахуванням ефектів розсіювання в атмосфері, орієнтовану на проектування апаратно-програмних засобів систем візуалізації. Модель базується на уявленні розсіювального середовища у вигляді часток, які характеризуються розміром, щільністю й індикатрисами розсіювання. Використання моделі дозволяє розробляти графічні спецобчислювачи, які мають можливість оброблять у сцені велику кількість джерел світла з урахуванням розсіювального середовища.

2. Вперше запропоновано метод класифікаційного опису тіньового простору від рельєфу, орієнтований на розробку апаратно-програмних засобів для систем візуалізації. Метод класифікаційного опису дозволяє за рахунок виконання частини обчислень на етапі підготовки даних скоротити загальну кількість обчислень під час синтезу зображення у реальному часі. Використання методу дає можливість проектувати високопродуктивні апаратно-програмні засоби для синтезу зображення тіней від рельєфу як на сам рельєф, так і на об'єкти сцени.

3. Одержав подальший розвиток метод сканування об'єктів, що рухаються, з метою удосконалення апаратно-програмних засобів систем візуалізації. Розвиток методу сканування полягає в адаптації його для сканування тіньових фігур об'єктів, що рухаються. При цьому формуються зображення тіней від об'єктів сцени на рельєф, інші об'єкти сцени і самих на себе. Використання методу дозволяє реалізувати високопродуктивну систему візуалізації для тренажерів транспортних засобів.

4. Одержала подальший розвиток модель синтезу зображень, що базується на врахуванні фізіології зору людини й особливостях пристроїв відображення. Модель встановлює відповідність між світловими характеристиками (що задані в реальних фізичних величинах) всіх об’єктів сцени и характеристиками пристроїв відображення. Даний підхід дозволяє проектувати апаратно-програмні засоби з можливістю синтезу високореалістичних зображень, що є важливим під час експлуатації систем візуалізації на тренажерах транспортних засобів.

Практичне значення одержаних результатів полягає в тому, що розроблено: алгоритм синтезу зображення джерел світла з урахуванням розсіювання світлового потоку в атмосфері; алгоритм сканування і “захоплення” джерел світла; алгоритм складання класифікаційного опису тіньового простору, що формується рельєфом; алгоритм сканування тіньових фігур об'єктів сцени; алгоритм синтезу зображення тіней від рельєфу і штучних об'єктів. На базі цих алгоритмів розроблено структурні і функціональні схеми спецпроцесорів формування світлових і тіньових ефектів для методу зворотного трасування. Структурні схеми розроблених обчислювальних пристроїв можуть бути використані під час побудови цифрової системи візуалізації реального часу, що дозволить підвищити реалістичність синтезованого зображення, розширити діапазон можливих вправ, і, як наслідок, підвищити рівень підготовки операторів транспортних засобів.

Наукові результати, отримані під час виконання дисертаційної роботи, було використано при модернізації блоку відображення джерел світла у складі системи візуалізації авіаційного тренажера Ту-154М (довідка про впровадження від 12.06.03), встановленого в Українському державному учбово-сертифікаційному центрі цивільної авіації в м. Києві. Також результати виконання дисертаційної роботи впроваджено в навчальний процес на кафедрі електронних обчислювальних машин ХНУРЕ в дисципліні “Проектування спецпроцесорів” (акт впровадження від 15.10.03).

Особистий внесок здобувача. Особистий внесок здобувача в роботах, виконаних у співавторстві, полягає у тому, що: у роботі [1] запропоновано метод розрахунку освітленості від неспрямованого джерела світла з урахуванням атмосферних властивостей; у роботі [2] запропоновано розрахунок коефіцієнтів відбивання розсіяного світла для моделі Фонгу; у роботі [3] отримано аналітичне співвідношення, що зв'язує між собою кутову роздільну здатність і такі технічні характеристики спецпроцесора, як: параметри системи відображення, розрядність операційних пристроїв і таблиць обчислення функцій; у роботі [4] запропоновано математичну модель синтезу зображень, що заснована на фізичному моделюванні випромінювання і відбиття світлових потоків у сцені; у роботі [5] запропоновано математичну модель, що дозволяє обробляти ефекти розсіювання джерел світла довільної спрямованості; у роботі [6] запропоновано спосіб передачі яскравості реальних джерел світла і фону в обмеженому діапазоні градацій яскравості пристрою відображення; у роботі [7] автором запропоновано алгоритм синтезу тіней від рельєфу, як на сам рельєф, так і на штучні рухомі і нерухомі об'єкти; у роботі [8] запропоновано метод сканування тіньових фігур штучних чи природних об'єктів при формуванні тіні на рельєф і один на одного; у роботі [9] запропоновано підхід до опису і скануванню джерел світла під час синтезу зображень методом зворотного трасування променів, що дозволяє уникнути явищ аліайсингу, що виникають при відображенні джерел світла; у роботі [10] автором запропоновано спосіб геометричного опису штучних об'єктів (наприклад джерела світла) у 3D-сцені.

Апробація результатів дисертації. Результати досліджень оприлюднено на І-й Міжнародній конференції "Проблемы информатики и моделирования 2002", Харків, ХНТУ, 2002 р.; на V-й Міжнародній науково-технічній конференції “АВИА-2003”, НАУ, Київ, 2003 р.; на VII-му Міжнародному молодіжному форумі “Радиоэлектроника и молодежь в XXI веке”, Харків, ХТУРЕ, 2002 р.; на II-й и III-й Міжнародних конференціях "Проблемы информатики и моделирования 2003", Харків, ХНТУ, 2003 р.

Публікації. За темою дисертації видано 10 робіт: 8 статей в наукових збірниках, що входять до переліку ВАК України, 2 матеріали конференцій.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел зі 109 найменувань на 11 сторінках, 36 рисунків, 7 таблиць та додатка на 12 сторінках. Загальний обсяг роботи – 150 сторінок.

основний зміст роботи

У вступі стисло розглянуто стан досліджень в галузі систем комп'ютерної графіки, обґрунтовано актуальність теми дисертації, сформульовані мета і задачі дисертаційної роботи, наведено наукові результати, що виносяться на захист, наукова новизна і практична цінність отриманих результатів.

Перший розділ є критичним оглядом сучасних методів формування зображень тривимірної сцени, а особливо методів формування зображення світлових і тіньових ефектів у реальному часі. Наведено загальну характеристику існуючих методів формування світлових і тіньових ефектів у сцені стосовно до використання методу зворотного трасування для синтезу зображень у реальному часі.

На основі проведеного аналізу сформульовані мета і задачі дослідження, що полягають у розробці моделей і алгоритмів синтезу світлових і тіньових ефектів, і на їхній основі структурних і функціональних схем графічних спецпроцесорів СВ для формування світлових і тіньових ефектів у реальному часі.

У другому розділі наведено моделі й алгоритми синтезу світлових ефектів. Запропоновано спосіб синтезу зображень, що дає можливість врахувати основні фізичні явища, що супроводжують процес бачення навколишніх предметів людиною. Це дозволяє максимально точно визначити колірні характеристики зображення з урахуванням фізіології зору людини і характеристик пристроїв відображення.

Запропоновано модель синтезу зображення сцени [4], що враховує: 1) освітленість, що формують на зіниці спостерігача елементи сцени (джерела світла, штучні об'єкти, рельєф); 2) розсіювання в очному середовищі за наявності в полі зору яскравих джерел світла; 3) розсіювання в атмосфері; 4) розсіювання в прозорих середовищах, таких як, наприклад, скло. Використання даної моделі дозволяє імітувати такі світлові ефекти, як осліплення, розсіювання в різних середовищах, що є важливим під час проектування СВ тренажерів транспортних засобів.

Вперше запропоновано математичні моделі синтезу зображення розсіяного в атмосфері світла: 1) від джерел світла довільної спрямованості [5]; 2) від неспрямованих джерел світла [1].

Світло силою IДС, що випромінює ДС, на шляху до спостерігача частково поглинається молекулами повітря і зваженими в ньому рідкими і твердими частками (водними краплями, кристалами льоду, порошинами та ін.) і розсіюється на них. У рчоботі розглянуто розсіювання світла туманом. У цьому випадку середовище атмосфери подають як сукупність зважених прозорих сферичних часток (краплі води) із середніми радіусом і відстанню між ними. Значення й однозначно пов'язані з метеорологічною дальністю видимості (МДВ).

Завдяки розсіюванню світла деякий шар атмосфери здобуває значну яскравість. Видимість цього шару атмосфери обумовлюється освітленістю розсіювання , що створюється на зіниці спостерігача. Знайдена освітленість дозволяє належним чином визначити колір пикселя на екрані.

Вхідними даними є: 1) джерела світла – характеризуються інтенсивністю випромінювання і відстанню до них ; 2) атмосферні властивості – характеризуються метеорологічною дальністю видимості (МДВ), середнім радіусом часток і відстанню між ними ; 3) для спрямованих ДС фігури, що обмежують область простору, у якій розташовуються видимі ореоли розсіювання або світлові пучки променів. Назвемо їх фігурами розсіювання, і зважатимемо на те, що в загальному випадку вони можуть мати такі геометричні форми: паралелепіпеди, піраміди, фігури другого порядку (сфери, конуси, циліндри і т.д.) та інші.

За допомогою ітераційного алгоритму визначимо точки перетинання (A і B) проекційного променя (ПП) із фігурою розсіювання ДС (рис. ). Розіб'ємо інтервал АВ на ділянки променями з центра ДС з кутовим кроком . Величина впливає на точність і час обчислень. Кількість ділянок n визначається співвідношенням: , де кути і – визначаються зі скалярного добутку векторів ·і · відповідно; [ ] – функція виділення цілої частини числа з округленням убік меншого.

Величина освітленості , що створюється на відрізку АВ ПП визначається за співвідношенням:

,

де n – кількість сегментів, що належать ПП; – кількість часток, що належать i-му сегменту; – відстань від центра проекції до i-ї частки; – відстань між ДС та i-ю часткою; – індикатриса розсіювання; – кут між ПП і вектором, спрямованим з ДС до i-ї частки; – значення відповідного тілесного зонального кута для ; – показник ослаблення світлового потоку на шляху від центра проекції до i-ї частки; – ослаблення світлового потоку на шляху від ДС до i-ї частки.

Задача визначення розсіяного в атмосфері світла від ненаправлених джерел [1] є просторово симетричною для всіх проекційних променів, що розташовані під кутом щодо напрямку на ДС. Тому для синтезу зображення в роботі визначено залежність освітленості від кута між ПП і напрямком на ДС, тобто величина є функцією від кута . Залежність пропонується задавати табличним способом. Використання таких таблиць дозволяє реалізувати табличний обчислювач розсіяного в атмосфері світла, що є найшвидшим типом обчислювачів.

Проведений аналіз запропонованих математичних моделей обчислення розсіяного світла, показав, що: 1) друга математична модель дозволяє обробляти тільки ненаправлені ДС (яких у сцені є набагато більше, ніж спрямованих), при цьому апаратні і часові витрати є мінімальними; 2) перша математична модель дозволяє обробляти ДС довільної спрямованості, однак при цьому апаратні витрати набагато більше, ніж у попередньому випадку. Таким чином, при створенні СВ тренажерів транспортних засобів доцільно використовувати обидві моделі.

Застосування наведених вище моделей дозволяє отримати реалістичні зображення ефектів розсіювання в тумані. Використання в запропонованих математичних моделях індикатрис розсіювання часток дозволяє врахувати більш широкий спектр явищ розсіювання (розсіювання в атмосфері на частках диму, пилу і т.д.) без зміни моделей, що особливо важливо під час побудови СВ.

Отримано подальший розвиток моделі синтезу зображень, що базується на врахуванні фізіології зору людини й особливостях пристроїв відображення. Під час синтезу зображень множини ДС виникає проблема коректної передачі освітленостей, що формуються фоном і множиною ДС у вузькому діапазоні градацій яскравості пристрою відображення. Складність в тому, що значення освітленостей, що сприймає зоровий апарат людини, змінюються в діапазоні приблизно від 10-8 до 105 лк, а діапазон освітленостей, що формуються пристроєм відображення, на даний момент розвитку обчислювальної техніки змінюється від 0 до 1000 лк. Тому для синтезу реалістичних зображень необхідно правильно сполучити дані діапазони. Відповідно до теорії фізіології зору, діапазон освітленостей, які сприймаються людиною, є динамічним, і починається зі значення граничної освітленості . Тому, для вирішення цієї проблеми необхідно визначити граничне і максимальне значення освітленості, викликаної фоном і множиною ДС, що потрапили в область екрана [6].

У роботі запропоновано методику розрахунку колірних параметрів пікселів:

1. Для кожного ПП визначити величину освітленості .

2. Визначити величину :

,

де n – кількість ДС; – освітленість, створювана i-м ДС на зіниці ока спостерігача; – кут між напрямком візування (вектор із точки спостереження до центрального пікселя екрана) і напрямком на ДС, вимірюється в градах; – усереднена яскравість фону часу доби; параметри a і b різні для колбочкового і паличкового апаратів зору і визначаються з нерівностей:

.

3. Визначити величину :

,

де – максимальна освітленість, що формується пристроєм відображення.

4. Визначити значення світлоти для всіх пікселів екрана за такими правилами:

якщо , то ;

якщо , то .

5. Визначити параметри колірної моделі RGB:

,

де N – максимально припустиме значення для параметрів R, G і B.

5. На заключному етапі розраховані значення необхідно піддати -корекції.

У процесі синтезу зображення ДС (світлосигнальне устаткування аеродромів, вогні міста і т.ін.) методом зворотного трасування променів ПП у процесі розрахунку, будучи математичним променем, може “пройти” повз ДС, що попадає під проекцію пікселя. Подібна ситуація, у випадку взаємного переміщення спостерігача і ДС, призводить до виникнення явища аліайсинга (миготіння) при відображенні ДС. У роботі запропоновано алгоритм, що виконують операцію “захоплення” вогнів [9], унаслідок чого виключається явище аліайсинга.

У третьому розділі розглянуто методи й алгоритми синтезу тіньових ефектів. Розроблено алгоритм синтезу зображення тіней від рельєфу й об'єктів сцени. Алгоритм використовує класифікаційний опис тіньового простору, що формує рельєф і результати сканування тіньових фігур об'єктів сцени.

Основна вимога до алгоритмів розрахунку тіней при побудові систем візуалізації для тренажерів транспортних засобів – можливість у реальному часі відслідковувати тіні на великих просторах рельєфу і від усіх об'єктів 3D-сцени. Особливо гостро стоїть задача синтезу тіней від рельєфу. Це обумовлено обробкою великої кількості інформації, що описує рельєф, що не дозволяє застосувати силовий алгоритм для синтезу зображення в реальному часі.

Для можливості розрахунку зображення тіней рельєфу в реальному часі вперше пропонується метод класифікаційного опису тіньового простору, що формується рельєфом [7]. Як класифікаційну оболонку пропонується використовувати паралелепіпед (рис. 2). Простір усередині оболонки розбивається на домени, кожен домен має свій номер ( , – кількість доменів). Домени мають розміри: , , .

Так як вектор напрямку на джерело світла змінюється в часі, тобто є функцією , результатом складання класифікаційного опису буде список L(t), так само змінюваний у часі. У списку L(t) для всіх доменів зазначені номери тих доменів, рельєф у яких може затінювати простір у даному домені. Формат списку має вигляд:

,

де – список номерів доменів, що затінюють n-й домен.

Алгоритм формування класифікаційного опису тіньового простору містить два етапи.

1. Розбивка простору класифікаційної оболонки на домени Dn і визначення розташування кожного з них щодо рельєфу. Даний етап виконується один раз для конкретної карти рельєфу і є класифікаційним описом рельєфу. Формат класифікаційного опису K має вигляд:

,

значення елементів Kn якого визначатимемо за таким правилом:

2. Формування списку L(t).

Для спрощення на рис.3 зображено плоску модель задачі формування класифікаційного опису тіньового простору, що формує рельєф. Показано вектор напрямку на джерело світла , позначено m-й домен і прямі E1M1,, E4M4, напрямок яких збігається з напрямком вектора . Пунктиром зображено межу тіні від рельєфу. Як видно з рис.3., усі n-ні домени, що перетнули прямі E1M1,, E4M4, можуть містити тінь від ділянки рельєфу з m-го домену. Таким чином, для складання класифікаційного опису тіньового простору: 1) організуємо обхід доменів класифікаційної оболонки, для яких K=1; 2) для кожного m-го домену побудуємо прямі E1M1, ...4M4; 3) у списки доменів, перетнутих прямими E1M1,4M4 , додамо номер m.

Після завершення вищеописаного обходу всіх доменів маємо класифікаційний опис тіньового простору, що формує рельєф, тобто список L(t) дійсний на момент часу t. Даний етап відноситься до повільних обчислень і виконується на універсальній ЕОМ.

Використання класифікаційного опису L(t) дозволяє для будь-якої точки простору швидко визначити локальні області рельєфу, що можуть відкидати тінь на неї, і як наслідок, скоротити час синтезу зображення тіней. Запропонований класифікаційний опис тіньового простору має такі переваги, як: можливість формувати в реальному часі тіньові ефекти на великих просторах рельєфу; можливість використання одного класифікаційного опису для декількох тренажерів, що навчають операторів одночасно в межах однієї сцени. Дані переваги класифікаційного опису особливо важливі при побудові систем візуалізації, наприклад, для авіаційних тренажерів.

Метод сканування тіньових фігур об’єктів [8], що рухаються, містить у собі два етапи:

1. Необхідно виділити з ряду об'єктів B, підмножину об'єктів, тіньові фігури яких потрапили в поле зору спостерігача. Розділимо цю підмножину на дві частини: підмножина С - об'єкти, що потрапили на екран; підмножина D – об'єкти, що не потрапили на екран.

2. Для кожного об'єкта з підмножини С необхідно визначити підмножини об'єктів із С та D, що можуть його затінювати. Позначимо їх ЕСі.

Такий поділ об'єктів на підмножини дає можливість скоротити загальну кількість обчислень, і, як наслідок, час пошуку тіні.

Таким чином, результатом сканування тіньових фігур об'єктів сцени є формування підмножин:

,

,

, … , .

Формування вищенаведених підмножин необхідно виконувати один раз для кожного кадру зображення. Тому такі дії відносяться до повільних обчислень і можуть виконуватися на універсальній ЕОМ.

Використання описаних підходів дозволяє: 1) формувати в реальному часі тіньові ефекти на великих просторах рельєфу; 2) формувати усі види тіней у сцені: рельєф-рельєф, рельєф-об'єкт, об'єкт-об'єкт і об'єкт сам на себе.

Запропоновано співвідношення для розрахунку інтенсивності тіні в точці. У загальному випадку освітленість об'єкта можна подати з таких складових:

,

де EДСj – освітленості об'єкта, що створюються безпосередньо джерелами світла; Tj – сумарна прозорість об'єктів на шляху від j-го джерела світла; E2 – освітленість об'єкта, створювана світловим потоком, розсіяним навколишніми об'єктами; E3 – освітленість об'єкта небозводом; – тілесний кут з досліджуваної точки на об'єкт, що її затінює.

Дане співвідношення дозволяє синтезувати зображення з різною інтенсивністю тіні, що істотно підвищує реалістичність сприйняття синтезованого зображення.

Четвертий розділ присвячений моделюванню запропонованих алгоритмів синтезу зображень світлових і тіньових ефектів.

Моделювання підтвердило, що розроблені моделі й алгоритми відповідають поставленим вимогам і є коректними.

На основі моделей і алгоритмів, наведених у розділах 2-3, розроблена структура підсистеми синтезу зображення світлових і тіньових ефектів (рис. ).

Підсистема синтезу зображення джерел світла складається з операційного пристрою (ОП) і запам’ятовуючого пристрою (ЗП). Вхідними даними для підсистеми є: 1) координати центра проекції (Xh,Yh,Zh); 2) кутові параметри ПП (?,в,Дб,Дв); 3) ?пис ДС. Операційний пристрій включає такі блоки:–

блок обчислення точок перетину (БОТП) із конструкцією джерел світла;–

БОТП із фігурами розсіювання (ФР);–

блок обчислення (БО) освітленості , формованої джерелом світла;–

БО освітленості , формованою фігурою розсіювання.

Запам’ятовуючий пристрій використовується для збереження геометричного опису джерела світла і фігури розсіювання, властивостей джерела світла (інтенсивність I0, колір).

Функціонування підсистеми синтезу світлових ефектів здійснюється в такий спосіб. Перед початком роботи ЕОМ загального призначення здійснює завантаження даних у ЗП. У кожному синтезованому кадрі ЕОМ загального призначення виконує такі операції:–

сканування поля зору спостерігача;–

обчислення -параметрів для кожного проекційного променя;–

обмін даними із ОП.

Операційний пристрій підсистеми формування зображення джерел світла обчислює точку перетинання ПП із конструкцією джерел світла 3D_сцени.

Підсистема синтезу тіньових ефектів складається з операційного пристрою і запам'ятовуючого пристрою. Вхідними даними для підсистеми є: 1) координати досліджуваної точки поверхні (X,Y,Z); 2) нормаль у точці (X,Y,Z); 3) вектор - напрямок на ДС; 4) класифікаційний опис тіньового простору, що формується рельєфом; 5) результати сканування тіньових фігур об'єктів сцени. ОП включає такі блоки:–

блок обчислення кута (кут між напрямком нормалі поверхні і напрямком на ДС, якщо >90( - точка вважається затіненою);–

блок обчислення тіні (БОТ) від рельєфу;–

БОТ від об'єктів сцени.

Запам’ятовуючий пристрій операційного пристрою містить класифікаційний опис тіньового простору, що формується рельєфом і результати сканування тіньових оболонок об'єктів сцени.

На виході підсистеми синтезу тіні формуються: - ознака Т, що дорівнює 1 за наявності тіні в досліджуваній точці, і 0 в іншому випадку; - відстань L від точки (X,Y,Z) до поверхні, що її затінює; - прозорість поверхні, що затінює точку.

Функціонування підсистеми синтезу тіньових ефектів здійснюється в такий спосіб. Перед початком роботи ЕОМ загального призначення здійснює завантаження даних у ЗУ операційного пристрою. Під час синтезу зображення універсальна ЕОМ виконує такі операції:–

через заданий проміжок часу виконується класифікація тіньового простору, що формує рельєф, для нового положення ДС;–

для кожного кадру зображення виконується сканування тіньових фігур об'єктів сцени;–

для кожного кадру виконує завантаження даних у ЗП керуючого пристрою.

Операційний пристрій підсистеми формування зображення тіньових ефектів виконує обробку точок перетинання проекційного променя з рельєфом або об'єктами сцени. При цьому ОП реалізує алгоритм синтезу зображення тіней.

Блок обчислення розсіяного світла структурної схеми підсистеми формування світлових ефектів деталізований до рівня функціональної схеми. Структура блоку є паралельно-конвеєрною архітектурою, що дозволяє єднати в часі операції, і, як наслідок, досягти більш високої продуктивності. Імітаційне моделювання окремих блоків підтвердило працездатність функціональних і структурних схем.

Розроблені СП мають паралельно-конвеєрну архітектуру і можуть бути виконані на ПЛІС чи безпосередньо в кристалі з істотно кращими характеристиками.

У додатках наведено результати математичного й імітаційного моделювання, документи впровадження.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі наведено ряд вирішень наукових задач, що полягають у розробці моделей, алгоритмів роботи спецпроцесорів і структур спецпроцесорів для синтезу світлових і тіньових ефектів в реальному часі, застосування яких дозволить підвищити реалістичність зображення. Отримані результати мають важливе наукове і практичне значення як для удосконалення існуючих, так і для створення нових ефективних систем візуалізації тренажерів транспортних засобів. Проведені дослідження дозволяють зробити такі висновки:

1. У результаті аналізу методів і апаратно-програмних засобів формування зображень та вимог до систем візуалізації тренажерів транспортних засобів обґрунтовано вибір методу зворотного трасування та необхідність створення моделей синтезу світлових та тіньових ефектів у сцені з метою удосконалення апаратно-програмних засобів для систем візуалізації.

2. Запропоновано модель синтезу зображень, що дозволяє врахувати фізіологію зору людини й особливості пристроїв відображення. Модель базується на тому, що світлові характеристики всіх об'єктів сцени визначаються в реальних фізичних характеристиках, які потім переводяться в характеристики пристрою відображення. Застосування моделі дозволяє підвищити реалістичність синтезованого зображення, і, як наслідок, підвищити якість підготовки операторів на тренажерах транспортних засобів.

3. Вперше запропоновано математичну модель синтезу зображень як спрямованих, так і неспрямованих джерел світла з урахуванням ефектів розсіювання в атмосфері. Модель базується на уявленні розсіювального середовища у вигляді часток, які характеризуються розміром, щільністю й індикатрисами розсіювання, що дає можливість імітувати такі явища, як розсіювання на частках туману, диму, пилу та ін. Використання моделі дозволяє проектувати апаратно-програмні засоби синтезу зображень, що мають можливість обробляти велику кількість джерел світла у сцені з урахуванням розсіювального середовища.

4. Одержав подальший розвиток алгоритм “захоплення” джерел світла. Підчас синтезу зображення джерел світла методом зворотного трасування, взаємне переміщення спостерігача і джерел світла призводить до виникнення явища аліайсинга (миготіння). Запропонований алгоритм дозволяє розробити апаратно-програмні засоби усунення явища аліайсингу за рахунок виконання операції “захоплення” джерел світла будь-якої форми, довільно розташованих у просторі.

5. Вперше запропоновано метод класифікаційного опису тіньового простору, що формує рельєф. Метод орієнтовано на проектування апаратно-програмних засобів для систем візуалізації. Він базується на обмеженні простору рельєфу оболонкою, і розподілі простору всередині оболонки на домени. Для кожного домену виконується класифікація ділянок рельєфу, що затінюють простір усередині досліджуваного домену. Використання методу класифікаційного опису дозволяє: синтезувати зображення тіней від рельєфу як на сам рельєф, так і на об'єкти сцени; за рахунок виконання частини обчислень під час синтезу зображення на етапі підготовки даних скоротити загальну кількість обчислень у реальному часі, що дає можливість розробити апаратно-програмні засоби синтезу зображення високої продуктивності.

6. Одержав подальший розвиток метод сканування об'єктів, що рухаються з метою удосконалення апаратно-програмних засобів систем візуалізації. Розвиток методу сканування складається в адаптації його для сканування тіньових фігур об'єктів, що рухаються. Запропонований метод сканування дозволяє в реальному часі формувати зображення тіней від об'єктів сцени, що рухаються, на рельєф, інші об'єкти сцени і самих на себе. Використання методу дає можливість реалізувати високопродуктивну систему візуалізації для тренажерів транспортних засобів.

7. На основі запропонованих методу класифікаційного опису тіньового простору, що формує рельєф, і методу сканування тіньових оболонок об'єктів сцени розроблено алгоритм синтезу тіньових ефектів, на базі якого можливе проектування архітектури спецобчислювача системи візуалізації реального часу.

8. Підтверджено результатами математичного та імітаційного моделювання, що розроблені моделі й алгоритми можна використовувати для формування реалістичного зображення світлових і тіньових ефектів.

9. Розроблено структурні і функціональні схеми спецпроцесорів формування зображення світлових і тіньових ефектів з використанням паралельно-конвеєрного принципу, що дозволяє побудувати на їхній основі системи візуалізації реального часу.

10. Практичне значення підтверджується впровадженням результатів дисертаційної роботи на авіаційному тренажері КТС Ту-154М в УД УСЦГА, м. Київ (довідка про впровадження від  12.06.2003), а також у навчальний процес на кафедрі ЕОМ ХНУРЕ, м. Харків (акт про впровадження від 15.10.2003).

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Гусятин В.М., Бугрий А.Н. Математическая модель расчета освещенности от ненаправленных источников света с учетом атмосферных условий в системах визуализации // Радиоэлектроника и информатика. – 2002. – №4. – C.85-87.

2. Гусятин В.М., Остроушко А.П., Бугрий А.Н. Подход к описанию отражающих свойств поверхности в задачах синтеза изображения методом обратного трассирования // Радіоелектронні і комп’ютерні системи. Науково-технічний журнал.– Харків: "ХАІ", 2004. – № 3 (7). – С.15-18.

3. Гусятин В.М., Бугрий А.Н. Расчет угловой погрешности спецпроцессора в системе визуализации // Автоматизированные системы управления и приборы автоматики: Сб. научн. трудов. Выпуск 112. – Харьков: ХТУРЭ, 2000. – С.4-10.

4. Гусятин В.М., Бугрий А.Н., Остроушко А.П., Определение цветовых параметров пикселов с учетом физических характеристик источников света // Вестник Национального технического университета "ХПИ". Сборник научных трудов. Тематический выпуск: Автомобиле- и тракторостроение. – Харьков: НТУ "ХПИ", 2004. – №24. – С.13-18.

5. Гусятин В.М., Бугрий А.Н. Математическая модель синтеза изображений рассеянного света для систем визуализации. // Вісник Національного технічного університету "ХПІ". Збірник наукових праць. Тематичний випуск: Автоматика та приладобудування. – Харків: НТУ "ХПІ", 2003. – №19. – С. 25-28.

6. Гусятин В.М., Бугрий А.Н. Синтез изображений ненаправленных источников света в системах визуализации тренажеров транспортных средств // Вісник Національного технічного університету "ХПІ". Збірник наукових праць. Тематичний випуск: Автоматика та приладобудування. – Харків: НТУ "ХПІ", 2002. – №18. – С. 3-6.

7. Гусятин В.М., Бугрий А.Н. Классификация теневого пространства и синтез теней, формируемых рельефом // Вісник Національного технічного університету "ХПІ". Збірник наукових праць. Тематичний випуск: Автоматика та приладобудування. – Харків: НТУ "ХПІ", 2003. – №26. – C. 53-57.

8. Гусятин В.М., Бугрий А.Н. Математическая модель и алгоритм классификации теневых фигур // Автоматизированные системы управления и приборы автоматики: Всеукраинский межведомственный нучно-технич. вестник. Выпуск 126. – Харьков: ХНУРЭ, 2004. – С. 83-87.

9. Гусятин В.М., Бугрий А.Н. Классификация и сканирование самосветящихся объектов в задачах синтеза изображений для систем визуализации. // V-я Международная научно-техническая конференция “АВИА-2003”; научные труды / НАУ, Киев, 2003. – C. 15-18.

10. Филимончук М.А., Бугрий А.Н. Геометрическое описание движущихся объектов в системах визуализации реального времени // Радиоэлектроника и молодежь в ХХI веке: Материалы VII-го Международного молодежного форума (22-24 апреля 2003 г.). – Харьков: ХНУРЭ, 2003. – С. 469.

АНОТАЦІЯ

Бугрій Андрій Миколайович. Моделі і структури пристроїв формування зображень світлових і тіньових ефектів у системах візуалізації тренажерів транспортних засобів. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.13 – обчислювальні машини, системи та мережі. – Харківський національний університет радіоелектроніки, Харків, 2005.

Дисертація присвячена питанням побудови спецпроцесорів для формування зображення світлових і тіньових ефектів у системах візуалізації тренажерів транспортних засобів, що синтезують зображення методом зворотного трасування. У роботі запропоновано математичну модель синтезу зображень джерел світла довільної спрямованості з урахуванням ефектів розсіювання в атмосфері. Використання моделі дозволяє наповнити сцену світловими ефектами, і, як наслідок, підвищити реалістичність синтезованого зображення. Запропоновано метод класифікаційного опису тіньового простору і на його основі алгоритм синтезу зображення тіней, що формуються рельєфом. Використання методу класифікаційного опису дозволяє: синтезувати зображення тіней від рельєфу як на сам рельєф, так і на об'єкти сцени; за рахунок виконання частини обчислень по синтезу зображення на етапі підготовки даних скоротити загальну кількість обчислень у реальному часі, що дає можливість збільшити продуктивність системи візуалізації. Запропоновано метод сканування тіньових фігур об'єктів, що рухаються. Використання методу дозволяє в реальному часі формувати зображення тіней від об'єктів сцени, що рухаються, на рельєф, інші об'єкти сцени і самих на себе. Результати досліджень були використані при модернізації цифрової системи візуалізації авіаційного тренажера КТС Ту-154М в УД УСЦГА, м. Київ.

Ключові слова: джерело світла, зворотне трасування, реальний час, світлові ефекти, система візуалізації, спецпроцесор, тіньові ефекти.

АННОТАЦИЯ

Бугрий Андрей Николаевич. Модели и структуры устройств формирования изображений световых и теневых эффектов в системах визуализации тренажеров транспортных средств. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.13.13 – вычислительные машины, системы и сети. – Харьковский национальный университет радиоэлектроники, Харьков, 2005.

Диссертация посвящена вопросам построения спецпроцессоров для формирования изображения световых и теневых эффектов в системах визуализации тренажеров транспортных средств, синтезирующих изображение методом обратного трассирования. В результате проведенного анализа был сделан вывод о целесообразности использования метода обратного трассирования при синтезе изображения световых и теневых эффектов в трехмерной сцене. Данный метод позволяет достичь высокой реалистичности синтезированного изображения.

В работе предложена математическая модель синтеза изображений источников света произвольной направленности с учетом эффектов рассеяния в атмосфере. Модель базируется на представлении рассеивающей среды в виде частиц, характеризующихся размером, плотностью и индикатрисами рассеяния. Использование модели позволяет проектировать аппаратно-программные средства, имеющие возможность обрабатывать большое количество источников света в сцене с учетом свойств рассеивающей среды.

Предложен метод классификационного описания теневого пространства и на его основе алгоритм синтеза изображения теней, формируемых рельефом. Метод базируется на ограничении пространства рельефа оболочкой, и распределении пространства внутри оболочки на домены. Для каждого домена определяются участки рельефа, которые затеняют 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 проектировать аппаратно-программные средства синтеза изображения высокой продуктивности.

Получил дальнейшее развитие метод сканирования движущихся объектов с целью усовершенствования аппаратно-программных средств систем визуализации. Развитие метода сканирования состоит в его адаптации для сканирования теневых фигур движущихся объектов. Предложенный метод позволяет в реальном времени формировать изображения теней от движущихся объектов сцены на рельеф, другие объекты сцены и самих на себя.

Рассмотрена модель синтеза изображения источников света, которая базируется на учете физиологии зрения человека и особенностях устройств отображения. Применение модели позволяет повысить реалистичность синтезируемого изображения, и, как следствие, качество подготовки операторов на тренажерах транспортных средств.

Выполнено математическое и имитационное моделирование разработанных моделей и алгоритмов, подтвердившее возможность использования их для формирования реалистичного изображения световых и теневых эффектов. Разработаны структурные и функциональные схемы спецпроцессоров формирования изображения световых и теневых эффектов с использованием параллельно-конвейерного принципа, позволяющие построить на их основе системы визуализации реального времени.

Результаты исследований были использованы при модернизации цифровой системы визуализации авиационного тренажера КТС Ту-154М в УГ УСЦГА, г. Киев.

Ключевые слова: источник