Разработка методов и алгоритмов обработки информации при визуализации жидкостей в системах виртуальной реальности

• Автор: Торгонин, Евгений Юрьевич
• Шифр специальности: 05.13.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2014
• Место защиты: Белгород
• Количество страниц: 137 с. : ил.

Оглавление
Введение
Глава 1. Анализ состояния вопроса в области создания методов описания жидкостей для задач визуализации в системах виртуальной реальности
1.1. Анализ особенностей систем виртуальной реальности, требования и ограничения, предъявляемые к используемым методам и алгоритмам
1.2. Анализ особенностей современной аппаратной базы систем виртуальной реальности
1.3. Особенности планирования выполнения задач в системах реального времени
1.4. Классификация методов описания жидких сред и геометрического представления поверхностных волн
1.5. Модели и методы описания поверхностного волнения
1.6. Методы описания потоков в жидких средах
1.6.1. Сеточные методы описания динамики жидких сред, разработанные для применения в задачах визуализации
1.6.2. Бессеточные методы описания динамики жидких сред, разработанные для применения в задачах визуализации
Глава 2. Разработка метода синтеза поверхностного волнения на основе обработки статистической информации
2.1. Статистическая модель описания движения поверхности жидкой среды
2.2. Разработка метода обработки спектра направленного поверхностного волнения
2.3. Разработка стохастического метода описания ненаправленного поверхностного волнения
2.4. Алгоритм синтеза поверхностного волнения
2.5. Анализ эффективности разработанного алгоритма синтеза поверхностного волнения
Глава 3. Разработка гибридной модели представления жидкой среды со свободной поверхностью

3.1. Модель представления жидкой среды
3.2. Адаптация метода SPH для описания жидкой среды в системах виртуальной реальности
3.3. Выбор функции ядра сглаживания метода SPH
3.5. Алгоритм расчёта динамики среды методом SPH
3.6. Экспериментальная проверка предложенного алгоритма
3.7. Гибридная модель представления жидкой среды
3.8. Гибридный метод описания динамики и визуализации жидких сред
Глава 4. Разработка вычислительной системы для эффективной обработки информации при визуализации жидких сред
4.1. Модель представления среды на больших пространствах
4.2. Управление исполнением вычислительных задач в гетерогенной вычислительной среде
4.3. Синхронизация при обработке общей информации
4.4. Тестирование программного комплекса и анализ результатов
Заключение
Список литературы

Введение
В настоящее время происходит бурное развитие технологий, постоянное усложнение техники, автоматизированных систем и производств. В таких условиях особое значение приобретают технологии компьютерного моделирования и обработки информации. Особое внимание уделяется созданию средств и методов удобного представления информации в понятном для человека формате.
В результате, очень актуальной становится задача создания систем виртуальной реальности, так как известно, что визуальное представление данных способствует наиболее быстрому усвоению сложной информации и позволяет эффективно её обрабатывать. Системы виртуальной реальности уже применяются во множестве отраслей экономики, позволяют решать задачи как фундаментальных научных дисциплин, так и прикладных, в том числе способствуют повышению эффективной подготовки специалистов, предоставляя новые возможности имитации объектов реального мира.
Расчеты в виртуальной среде уменьшают необходимость в дорогостоящих экспериментах, испытаниях, обучении. Создание высоко реалистичных тренажёров позволяет существенно снизить затраты на подготовку высококвалифицированных кадров при повышении общего качества обучения. Таким образом, достигается высокий экономический эффект за счёт предварительного проведения компьютерного моделирования. Это позволяет экономить финансовые ресурсы на реализации физических испытаний и различных экспериментов.
Интерактивные системы виртуальной реальности являются одной из самых широких областей применения компьютерной графики. В системах такого рода важнейшей характеристикой качества является временная эффективность алгоритмов обработки и отображения информации в зависимости от объёма визуализируемых данных. Отображаемая информация обычно представляет собой трёхмерную сцену, состоящую из множества различных объектов. В целях повышения качества этого типа программного обеспечения, множеством

возмущается шумовой функцией, что позволяет воспроизводить довольно реалистичные волны различной частоты с гребнями.
Авторы работы [30] улучшили эту модель, для применения в тренажёре навигации судами и при синтезе поверхностного волнения учли не только силу ветра, но и силу волн действующих и отражённых от корпуса кораблей при их взаимодействии. Созданный генератор случайных чисел так же обеспечивает Гауссово распределение амплитуд волн, часто наблюдаемое в областях с большими глубинами. Для визуализации мелких деталей и ряби на поверхности, к полученной карте поверхности авторами предложено применять шумовую функцию, что существенно повышает реалистичность результата.
Результаты синтеза поверхностного волнения описанным выше методом выглядят довольно реалистично для достаточно удалённых от камеры наблюдателя участков среды, но форма волн при этом может получаться не естественной, так как размер карты высот фиксирован для всей поверхности. В этом случае для увеличения качества визуализации необходимо генерировать новую поверхность, используя большее количество компонентов энергетического спектра, что существенно снижает скорость работы алгоритма.
Эта проблема была рассмотрена многими авторами и предложен ряд её решений.
В работе [56], авторы применяют подход предусматривающий создание

множества уровней детализации (ЬСЮ) к методу Тессендорфа. Авторами предложено синтезировать поверхностное волнение с применением двух карт поверхности. Первая, с большим и фиксированным разрешением, используется при анимации волнения на всей поверхности жидкой среды и генерируется в вершинном шейдере графического ускорителя. Вторая карта высот связана с камерой и перемещается вместе с ней по виртуальной сцепе и применяется как высокодетализированная карта неровностей на локальных участках среды, рассчитываемая в пиксельном шейдере. Этот подход позволяет создавать большую океанскую поверхность в реальном масштабе времени, визуализируя только видимые участи моря. Митчел в своей работе [83] предложил реализацию