Развитие теории геометрического моделирования пространственных форм и совершенствование графических систем реального времени

• Автор: Косников, Юрий Николаевич
• Шифр специальности: 05.13.18
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2006
• Место защиты: Пенза
• Количество страниц: 373 с. : ил.

Список использованных сокращений
1 Организация процесса геометрического моделирования и отображения трехмерных объектов в режиме реального времени
1.1 Основные компоненты графических систем реального времени
1.2 Анализ форм пространственных объектов и способов их описания
1.2.1 Объекты и модели в ГСРВ
1.2.2 Формы математического описания пространственных объектов
1.3 Этапы и преобразования процесса отображения трехмерных объектов
1.3.1 Этапы процесса отображения
1.3.2 Пространственное отсечение примитивов
1.3.3 Преобразования пространственной динамики
1.3.4 Определение видимости примитивов
1.3.5 Текстурирование примитивов
1.3.6 Фильтрация текстурных изображений
1.3.7 Моделирование освещенности объектов
1.4 Аппаратная поддержка процесса отображения в ГСРВ
1.5 Анализ традиционного процесса компьютерного моделирования трехмерных объектов
Выводы к разделу
2 Концептуальное совершенствование геометрического моделирования и отображения трехмерных объектов на основе криволинейных примитивов
2.1 Основные положения концепции геометрического моделирования и отображения трехмерных объектов
2.2 Требования к форме и описанию криволинейных примитивов
2.3 Аппарат смешивающих функций в геометрическом моделировании и отображении пространственных объектов

2.4 Общая организация процесса геометрического моделирования и
отображения пространственных сцен
2.5 Способы поддержания режима реального времени в процессе
геометрического моделирования и отображения динамических
объектов
Выводы к разделу
3 Г еометрическое моделирование пространственных объектов с
аналитической поверхностью на основе криволинейных примитивов
3.1 Использование поверхностей второго порядка в качестве
геометрических примитивов ГСРВ
3.1.1 Математическое описание поверхностей второго порядка
3.1.2 Геометрические преобразования поверхностей второго порядка
3.2 Использование бикубических поверхностей в качестве геометрических примитивов ГСРВ
3.2.1 Математическое описание бикубических поверхностей
3.2.2 Геометрические преобразования бикубических поверхностей
3.3 Геометрическое моделирование и отображение составных поверхностей из отсеков второго и третьего порядка
3.3.1 Сопряжение поверхностей второго порядка
3.3.2 Сопряжение поверхностей третьего порядка
3.4 Определение видимости отсеков второго и третьего порядка
3.4.1 Выявление невидимых примитивов
3.4.2 Выявление участков примитива, невидимых из-за его кривизны
3.5 Плоские примитивы как частный случай криволинейных примитивов
3.5.1 Геометрическое моделирование на основе укрупненных плоских примитивов
3.5.2 Метод выделения фрагментов как средство выделения контура плоского укрупненного примитива
Выводы к разделу
4 Геометрическое моделирование произвольных пространственных форм на основе рельеф-примитивов

4.1 Геометрические примитивы в виде участка моделируемой поверхности
4.1.1 Геометрический примитив в виде участка замкнутой поверхности произвольной формы
4.1.2 Геометрический примитив в виде участка незамкнутой поверхности произвольной формы
4.2 Геометрическое моделирование объектов сложной формы
4.2.1 Геометрические преобразования рельеф-примитивов
4.2.2 Образование составных поверхностей на основе рельеф-примитивов
4.2.3 Анализ видимости объектов, построенных из рельеф-примитивов
4.3 Исследование влияния смешивающих функций на геометрические и визуальные характеристики составной поверхности
4.3.1 Производная смешивающей функции и ее роль в сопряжении рельеф-сплайнов
4.3.2 Расширение возможностей формообразования за счет рационального выбора смешивающих функций
Выводы к разделу
5 Прикладные исследования и реализация результатов
5.1 Организация и структурная реализация процесса геометрического моделирования и отображения объектов в режиме реального времени
5.1.1 Организация вычислений в ГСРВ
5.1.2 Структура графического конвейера ГСРВ
5.2 Специализированная техническая поддержка геометрического моделирования и отображения криволинейных примитивов
5.2.1 Структура устройств для развертывания аналитических кривых и поверхностей
5.2.2 Применение нейропроцессора для развертывания примитивов, описываемых сплайнами
5.2.3 Обобщенная структура устройства для выполнения геометрических преобразований
5.2.4 Технические средства текстурирования криволинейных примитивов

В силу ограниченности области вывода изображения (экрана дисплея) не все объекты сцены попадают в поле зрения наблюдателя. Невидимые наблюдателю объекты и их части выявляют с помощью операции отсечения и исключают из дальнейшего рассмотрения. В системах реалистического отображения сцена представляется в перспективе, поэтому видимыми считаются объекты и примитивы сцены, попадающие внутрь пространственного окна в виде усеченной пирамиды. Боковые грани пирамиды видимости проходят через точку наблюдения (это вершина пирамиды) и стороны экрана. Меньшее основание лежит в плоскости экрана, а большее основание параллельно плоскости экрана и отстоит от него на расстояние, зависящее от геометрических размеров объектов. В ГСРВ в качестве примитивов обычно используются плоские полигоны, задаваемые своими ребрами. Поэтому задачей отсечения является, во-первых, выявить и отбросить объекты, целиком не попавшие в пирамиду видимости, а во-вторых, - установить видимые части ребер у тех примитивов, которые входят в частично видимые наблюдателем объекты.
Алгоритмы пространственного отсечения плоских примитивов достаточно хорошо проработаны в компьютерной графике [101,152,166,209]. Они, в принципе, могут работать и в мировом пространстве, и в пространстве наблюдателя. В первом случае необходимо выполнить обратное отображение области вывода изображений в мировое пространство и построить там пирамиду видимости. Во втором случае объекты сцены с учетом их динамики переводятся в СКН, где и строится пирамида видимости. Пространственные алгоритмы сводят к двумерным, проецируя объекты сцены на картинную плоскость и отсекая их по границам области вывода.
В ГСРВ операцию отсечения необходимо выполнять для каждой фазы динамики сцены (в пределе - для каждого кадра), т.е. в режиме РВ. Это возможно при микропрограммной или аппаратной реализации операции. Для упрощения и убыстрения алгоритмов отсечения объекты заключают в оболочки, представляющие собой простые геометрические тела: многогранники, например, параллелепипеды, или эллипсоиды [44,152,209]. Возможна иерархия оболочек. Это означает, что в сцене выделяют компактные группы объектов, которые охватывают общими оболочками. Если возможно, объединяют группы и охватывают эти объединения своими оболочками и т.д. Проверку попадания оболочек в пирамиду видимости начинают с верхнего уровня иерархии (с групп объектов), доходя до ее нижнего уровня