Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ. Во многих областях инженерной и научной деятельности возникает задача геометрического моделирования пространственных объектов. Наибольшие возможности предоставляют системы геометрического моделирования на базе средств машинной графики растрового типа. Важнейшими особенностями изображения, позволяющими передать в кадре информацию о пространственных отношениях как между отдельными объектами моделируемого мира, так и между составными частями каждого данного объекта, являются его тоновый характер и наличие падающих теней.
Анализ работ по машинной графике, посвященных созданию подобных изображений, показывает, что наиболее полно разработаны методы визуализации объектов, поверхность которых состоит из многоугольников. Поэтому одной из актуальных задач машинной графики является поиск методов визуализации криволинейных поверхностей, в частности, задаваемых алгебраическими уравнениями, без аппроксимации плоскостями, а так же методов отображения падающих теней.
В диссертационной работе указанные выше задачи решаются применительно к твердым телам, описываемым математическими моделями алгебро-логического вида.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ заключается в исследовании и разработке методов и алгоритмов растровой машинной графики, обеспечивающих формирование изображений сложных пространственных объектов с падающими тенями, отбрасываемыми объектами моделируемого мира.
Указанная цель достигается в результате :
разработки алгебро-логической модели для описания геометрических свойств объектов;
разработки и обоснования метода и алгоритмов визуализации пространственных сцен непосредственно по их алгебро-логической модели;
разработки и обоснования метода и алгоритмов получения изображений, содержащих падающие тени, отбрасываемые объектами моделируемого мира;
разработки методов уменьшения трудоемкости алгоритмов визуализации .
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. Методы исследования базируются на аппарате теории множеств, аналитической алгебры, общей алгебры, аналитической и проективной геометрии, матричном исчислении, методах машинной графики.
-
Обоснован принцип построения процедур визуализации геометрических образов трехмерных объектов, заданных алгебро-логической моделью, в системах растровой полутоновой графики, основанный на декомпозиции исходных объектов на объекты, описываемые с помощью теоретико-множественных функций ( ТМФ ) специального вида.
-
Разработан метод обработки алгебро-логической модели пространственного объекта с целью его визуализации. Метод предполагает использование в модели ТМФ специального вида и основывается на применении введенных соискателем координатно зависимых теоретико-множественных операций (ТМО): модифицированного теоретико-множественного вычитания и двух модификаций теоретико-множественного пересечения.
-
Разработан метод синтеза изображений, содержащих падающие тени, не требующий аппроксимации поверхностей плоскостями и применимый не только к полигональным, но и к другим моделям.
-
Разработан метод уменьшение вычислительной сложности алгоритмов, реализующих разработанные методы визуализации пространственных объектов.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РАБОТЫ. Практическую ценность представляет подсистема визуализации геометрических образов пространственных сцен, разработанная на основе научных результатов, полученных соискателем, и объединенная в единую систему с языком геометрического конструирования объектов сложной структуры. Система написана на языке Pascal для PC-AT/*86-(S)VGA.
Практические и теоретические результаты, излагаемые в диссертационной работе, использовались при выполнении хоздоговорных работ, выполнявшихся по постановлениям СМ СССР (1983-1989г.г.), по приказам отраслевого министерства (1990-1993г.г.) для Центрального специализированного конструкторского бюро (ЦСКБ) г. Самара, в НИР по программе ИР-86 "Информатизация России" с РОС НИИ ИТ и АП (1991 г.), в НИР в рамках региональной программы "Конверсия" (1992 г.)., в НИР "Разработка программно-математического обеспечения компьютерной системы моделирования регистрации изображений оптико-электронной аппаратурой на реальном фоне" для ЦСКБ (1994 г.), в НИР "Разработка компьютерной системы моделирования регистрации изображений оптико-электронной аппаратурой типовых объектов наблюдения на реальном фоне (версия 2.0)" для Ленинградского аэрокосмического центра экологии "ЭКОС-конверсия" (1995г.), в НИР "Разработка методического, алгоритмического, функционального программного и программно-аппаратного обеспечения системы поддержки оперативного принятия решений по
управлению на НКУ на основе анализа телеметрической информации системы управления движением изделия ,., " для Иркутского вычислительного центра СО РАН (1995, 1996г.г.).
В рамках последних из перечисленных НИР осуществлялось моделирование различных аспектов работы различных систем технического зрения.
Разработанная система геометрического конструирования и визуализации, внедренная в ЦСКБ (г. Самара), использовалась при выполнении ЦСКБ фундаментальной НИР "ЖУК" в части проведения работ по разработке диалоговой системы моделирования динамики функционирования сложных технических систем и НИР "Моноплан - 9 - Листва" (часть 2). В рамках этих НИР осуществлялась имитация наблюдения объектов сложной формы с учетом эффектов затенения (с отображением падающих теней), а так же была создана библиотека моделей геометрических объектов сложной формы специального класса.
-
Обоснование принципа построения процедур визуализации геометрических образов трехмерных объектов, заданных алгебро-логичес-кими моделями, основанного на использовании в моделях на этапе визуализации ТМФ специального вида и настройке алгоритмов на обработку таких моделей без их преобразования к полигональному виду.
-
Метод обработки алгебро-логической модели геометрического образа пространственного объекта с целью его визуализации в системах растровой полутоновой графики, основанный на использовании принципа из пункта 1 и специальных координатно зависимых модификаций теоретико-множественных операций вычитания и пересечения.
3. Метод формирования изображений, отображающих падающие
тени, ориентированный на системы растровой полутоновой графики,
использующий этап предварительной обработки модели сцены, пред
шествующий формированию первой строки кадра изображения.
4. Метод уменьшения вычислительной сложности процесса обработ
ки алгебро-логической модели, содержащей ТМФ специального вида,
основанный на уменьшении площади картинной плоскости проекций, для
пэлов которой достаточно выполнять вычисления, а также на применении
введенных автором координатно зависимых модификаций ТМО вычитания
и пересечения.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные результаты докладывались и обсуждались на:
-International Symposium on Vizual Analysis and Interface, (Novosibirsk, USSR, August 1-4 1991 ); Всесоюзной научно-методической конференции "Научно-методические основы использования ЭВМ, САПР в учебном процессе", Ленинградский кораблестроительный институт, (Ленинград, 1985 г.); 2-й Всесоюзной конференции "Методы и средства обработки графической информации", Горьковский государственный университет, (Горький, 1985 г.); научно-техническом семинаре сектора графических систем Вычислительного центра НИИ механики Горьковского государственного университета, (Горький, ноябрь 1986 г.); 4-й Всесоюзной конференция по проблемам машинной графики, Институт физики высоких энергий, (Протвино, 1987 г.); научно-технической конференции "Вопросы геометрического моделирования в САПР", Уральский политехнический институт, (Свердловск, 1987 г.); 3-й Всесоюзной конференции "Методы и средства обработки графической информации", Горьковский государственный университет, ( Горький, сентябрь 1988 г.); научно-технических конференциях факультета математических знаний Куйбышевского политехнического института, (Куйбышев, 1982, 1984, 1987 г.г.); общемосковском семинаре по математическому обеспечению систем машинной графики, Институт проблем управления АН СССР, (Москва, 1984г.).
ПУБЛИКАЦИИ. По материалам диссертации опубликовано 18 печатных работ, в том числе 1 авторское свидетельство. Работы, в которых описываются методы формирования растровых изображений, основываются на методах, разработанных соискателем и излагаемых в данной диссертации. Работы, в которых описывается программное обеспечение, основываются на программных и аппаратных средствах компьютерной графики, разработанных соискателем совместно с сотрудниками научно-исследовательской лаборатории кафедры "Вычислительная техника" Куйбышевского политехнического института (в настоящее время - Самарского государственного технического университета). Соискатель принимал непосредственное участие в проектировании и отладке лабораторного образца системы растровой компьютерной графики, на основе которого был разработан пакет программных средств, эксплуатировавшийся на компьютерах серии ЕС ЭВМ. В программных средствах и для ЕС ЭВМ и для IBM PC совместимых компьютеров соискателем полностью разработана подсистема визуализации, предложены математические модели описания пространственных форм, которые определили особенности языка, ориентированного на их конструирование, и его компилятора.
СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Работа состоит из введения, четырех разделов, заключения и приложения. Текст содержит 152 страницы, из них 19 рисунков, 9 страниц - список литературы из 89 наименований.