Введение к работе
- з -
Актуальность и степень последовательности темы. Одной из бурно развивающихся в настоящее время областей вычислительной техники является машинная (компьютерная) графика, находящая широкое применение в различных областях науки и техники, например, в медицине, в физике, в химии и т.д. Одной из главных задач машинной графики является генерация реалистических изображений в реальном масштабе времени, которая используется для авиатренажеров, САПР, производство кино, реклам и т.д.
Системы генерации изображений в реальном масштабе времени должны иметь высокую производительность, то есть должны генерировать 25 - 40 кадров в секунду (25 - 40 мс/кадр). Проблемами синтеза графических систем реального времени занимаются многие институты как в странах СНГ, так и за рубежом. В качестве примера можно уїсазать разработанные в институте автоматики и автометрии СО АН России для авиа- и космических тренажеров системы синтеза визуальной обстановки реального времени. Кроме того, изображения должны сохранить реалистичность синтезируемой сцены. Наиболее распространенными методами получения таких изображений являются методы трассировки лучей и излучательности. Однако их применение требует больших затрат времени. При использовании таких методов в реальном времени следует программно и аппаратно ускорить вычислительные процессы.
Поэтому задача разработки алгоритмов, методов и вычислительных устройств для синтеза реалистических изображений остается актуальной. Однако, при решении этой задачи возникает необходимость уменьшения аппаратных и временных затрат, увеличения сложности сцен и качества изображения.
Цель, идея и основные задачи исследования
Делью диссертационной работы является повышение производительности вычислительных систем синтеза изображений методом излучательности в режиме реального времени.
Идея работы заключается в ускорении этапа определения видимых поверхностей с помощью построения вычислительных систолических структур на базе быстрого алгоритма вычисления точки пересечения луча с объектом.
Основные задачи. Для достижения цели ставятся и решаются
следующие задачи:
-
Получение оценок трудоемкости известных алгоритмов вычисления точки пересечения луча с объектом с целью выбора оптимального варианта для применения в методе излучательнос-ти.
-
Разработка быстродействующего алгоритма вычисления точки пересечения луча с объектом для ускорения процесса синтеза изображения.
-
Разработка структуры вычислительной системы для систем визуализации в режиме реального времени на базе метода излучательности.
-
Разработка способов построения и организация вычислительного процесса в СБИС систолической структуры, ориентированной на этап определения видимых поверхностей.
-
Сравнительная оценка разработанных структур с известными аппаратно-программными реализациями методов излучатель-ности и трассировки лучей.
Теоретическая ценность, практическая значимость и новизна
исследований
Теоретическая ценность и новизна. Разработан и исследован новый алгоритм (алгоритм обратного параметра) вычисления точки пересечения луча визирования с объектом, обладающий повышенным быстродействием по сравнению с существующими, получены оценки разрядности представления информации при реализации алгоритма.
Практическая значимость и новизна. Разработаны структуры пикселного процессора (ГШ) на основе алгоритма обратного параметра и организация процессора определения видимости (ПОВ) на базе пикселного процессора. Процессор определения видимости позволяет повысить производительность вычислительных систем для. синтеза изображения за счет исключении операции умножения и деления. Данный процессор определяет видимые поверхностей сцен со скоростью более 1,6 млн. полигонов/с для объектов со средней шириной проекции не более 50 пикселов. Эквивалентная производительность процессора - более одного миллиона MIPS.
Научные положения и результаты, выносимые на защиту, и личный вклад автора в их разработку
Положения. Установлена возможность исключения операций
- 5 -умножения и деления на этапе определения видимых поверхностей при синтезе изображений методом излучательности и трассировки лучей, что обеспечивает ускорение вычислительного процесса, позволяет реализовать процесс в систолической систем в режиме реального времени.
Результаты. Основные результаты работы, выносимые на защиту:
-
Алгоритм обратного параметра для определения видимых поверхностей.
-
Методика и результаты оценки трудоемкости алгоритмов вычисления точки пересечения луча с объектом.
-
Способ организации систолической вычислительной системы синтеза изображений в режиме реального времени на основе алгоритма обратного параметра.
-
Структуры ликселного процессора, реализующего алгоритм обратного параметра, и процессора определения видимости на его базе, требования по выбору разрядной сетки для реализации алгоритма обратного параметра, оценки аппаратных затрат и производительности процессора определения видимости.
Автором в алгоритме обратного параметра предложен способ перехода к инкрементным вычислениям. Результаты исследований алгоритма обратного параметра и вычислительных структур на его базе принадлежат лично автору.
Методология и методы исследования. Бри решении поставленных задач в работе использованы методы аналитической геометрии, линейной и векторной алгебры, теории вероятности и математической статистики, методы математического и программного моделирования.
При анализе разрядной сетки пикселного процессора использовалась методология оценки погрешности вычислительных устройств, развитая в работах Ю.П.Журавлева.
Декларация личного вклада. Автором предложено инкремент-ное представление и исследован алгоритм обратного параметра для определения видимых поверхностей, разработаны и исследованы структуры пикселного процессора и процессора определения видимости, развита методика и определены трудоемкости алгоритмов вычисления точки пересечения луча с объектом, выполнены оценки разрядности процессоров, аппаратных затрат и производительности.
- 6 -Уровень реализации, внедрение научных разработок
Тематика диссертационной работы и использование ее результатов связаны с выполнением госбюджетной НИР Г21-91 "Разработка архитектуры вычислительных комплексов систем синтеза визуальной обстановки для индивидуальных тренажеров транспортных средств".
Способ организации вычислительной системы и метод ускорения процесса синтеза высококачественных изображений окружающей обстановки использованы в ОАО "Институт ЮжНИИгипро-газ" при разработке технических предложений по созданию системы визуализации проектно-конструкторских решений в области промышленного строительства.
Результаты работы использованы также в учебном процессе кафедры электронных вычислительных машин Донецкого государственного технического университета.
Обоснованность и достоверность научных положений и результатов подтверждается результатами программного моделирования разработанных структур пикселного процессора и процессора определения видимости.
Апробация работы. Основные научные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались:
на международной конференции KDS-95 в г. Ялта 1995г;
на семинарах отдела N22 отделения гибридных моделирующих и управляющих систем в энергетике Института проблем моделирования в энергетике НАН Украины;
на семинарах кафедры ЭВМ ДонГТУ.
Публикации. Основные результаты диссертации отражены в 4 печатных работах.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, изложенных на 164 страницах машинописного текста, содержит 33 рисунка, 20 таблиц, список литературы из 118 наименований и приложения. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ