Введение к работе
Актуальность проблемы
-Машинная"графика является одной из наиболее активно развивающихся направлений информатики. На сегодняшний день разработано множество универсальных и специализированных вычислительных систем, предназначенных для решения задачи визуализации. Особенный интерес предстааляют системы визуализации, работающие в реальном времени. Уже на начальной стадии развития средств машинной графики визуализация изображений использовалась для построения тренажеров. В качестве примеров можно привести имитатор полета ASUPT и Electronic Scene Generator фирмы General Electric, имитатор полета фирмы Singer/Link и др.
Главные проблемы вытекают из необходимости десятки раз в секунду выполнять расчет и вывод сотен тысяч точек изображения визуализируемой сцены. Большой объем данных и вычислений требуют применения высокопроизводительной, а, следовательно, дорогой технической базы. В настоящее время производительность персональных компьютеров, оснащенных ускорителями трехмерной графики, достигла достаточно высокого уровня (до 250 млн. пике./с и порядка нескольких сотен тысяч текстурированных треугольников в секунду), что позволяет строить тренажеры на базе серийных персональных компьютеров. Тем не менее, при сложности сцены порядка нескольких сотен тысяч треугольников все еще возникаю'? проблемы нехватки быстродействия. Похожие проблемы возникают и в специализированных вычислительных системах, построенных на основе более производительных процессоров, при повышении требований к качеству получаемого изображения, точности представления объектов и общему объему сцены. Эти проблемы можно решать либо наращиванием производительности аппаратуры, либо снижением нагрузки на аппаратную составляющую системы визуализации посредством адаптации процессов визуализации к конкретным текущим условиям. Примером адаптации к условиям наблюдения может служить учет пирамиды видимости при выборке данных для визуализации или при динамической коррекции
сцены в зависимости от расстояния до наблюдателя.
Особенно актуальным применение адаптивных методов становится при визуализации рельефов, поскольку для описания некоторой области реальной местности, как правило, требуется от нескольких десятков тысяч до миллионов треугольников, а способы определения видимых фрагментов не всегда очевидны. В настоящее время задача визуализации рельефов решается в тренажерных и в геоинформационных системах (ГИС), а также в компьютерных играх. Хорошо описаны методы представления рельефов, методы решения задач, связанных с анализом видимости вершин из заданной точки, но возможности адаптации процесса визуализации рельефа к изменяющимся параметрам наблюдения при перемещении наблюдателя раскрыты недостаточно.
Таким образом актуальной научной проблемой является поиск и исследование адаптивных методов' визуализации рельефов, применимых для различных конфигураций вычислительных систем.
Цель диссертационной работы состоит в разработке и исследовании методов визуализации рельефов местности и повышении их производительности посредством адаптации к конкретным параметрам наблюдения: направлению взгляда, сектору обзора, ограничению по дальности. Достижение указанной цели предполагает решение следующих задач:
классификация рельефов по способу представления информации при их описании с целью выделения характерных случаев;
анализ эффективности применения различных способов представления информации о рельефах для адаптации выборки данных к параметрам наблюдения;
анализ известных методов визуализации и разработка новых, применимых к различным классам рельефов;
отыскание путей адаптации методов визуализации рельефов к конкретным параметрам наблюдения.
Основные методы исследования
Для решения поставленных задач применялись методы вычислительной геометрии и интерактивной машинной графики, мето-
ды проектирования программного обеспечения. Научная новизна исследования
-
Разработан новый адаптивный волновой метод синтеза изображений рельефа, заданного триангулированной нерегулярной сеткой. Доказана возможность применения адаптивного волнового метода синтеза изображений к наиболее эффективному гипертриангуляционному представлению рельефа.
-
Предложен адаптивный метод выборки, элементов рельефа, представленного в виде регулярной прямоугольной решетки, посредством растровой развертки проекции пирамиды видимости, что приводит к повышению эффективности процесса визуализации.
Практические результаты
-
Определены и проанализированы три основных варианта структур данных, задающих связность элементов рельефа, представленного триангулированной нерегулярной сеткой. Из них, как перспективные, выделены две, основанные на связности ребер и связности треугольников.
-
На основе адаптивного волнового метода синтеза изображений реализована распределенная система визуализации карты местности для нескольких наблюдателей, взаимодействующих в компьютерной сети н рамках единой сцены.
-
Создана универсальная система визуализации на платформе PC, позволяющая производить измерения эффективности применения различных методов визуализации для различных аппаратных конфигураций.
-
Произведена оценка эффективности применения разработанных методов в различных условиях применения.
Апробация работы Основные положения диссертационной работы представлялись и обсуждались на 5-ой и 6-ой Международных Конференциях по Компьютерной Графике и Визуализации ГРАФИКОН (С.-Петербург, 1995 и 1996), 2-ой Международной конференции по применению компьютерных систем Applications of Computer Systems (Щецин, Польша, 1995), 10-ом Международном симпозиуме по вопросам высокопроизводительных компьютерных систем HPCS (От-
тава, Канада, 1996), а также на семинарах Центра Транспьютерных Технологий (ЦТТ) СПбГЭТУ (С.-Петербург, 1995 и 1996).
Публикации.
По теме диссертации опубликовано 5 работ, иэ них одна статья и тезисы к четырем докладам на конференциях. Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения, списка литературы, включающего 80 наименований. Основная часть работы изложена на 143 страницах машинописного текста. Работа содержит 41 рисунок и 7 таблиц.