Методы и алгоритмы эффективного вычисления освещенности трехмерных виртуальных сцен в реальном режиме времени

• Автор: Мальцев, Андрей Валерьевич
• Шифр специальности: 05.13.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2011
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 146 с. : ил.

Содержание
Введение.

Актуальность темы

Цели и задачи работы.

Методы исследований.

Результаты работы, выносимые на защиту

Практическая ценность работы

Апробация работы

Публикации

Структура работы

Глава 1. Обзор существующих технологий и методов расчета реалистичной освещенности виртуальных сцен
1.1. Технологии синтеза изображений трехмерных сцен.
1.2. Вычисление освещенности виртуальных объектов трехмерных сцен с помощью шейдерной обработки.
1.3. Методы расчета высокореалистичной освещенности виртуальных объектов трехмерных сцен.
1.4. Трассировка лучей
1.4.1. Прямая и обратная трассировка.
1.4.2. Структуры ускорения трассировки и их виды.
1.4.3. Способы реализации трассировки лучей
1.5. Выводы.
Глава 2. Совмещенная визуализация виртуальных сцен
2.1. Метод совмещенной визуализации виртуальных сцен
2.2. Критерии разделения объектов сцены на группы с разными типами визуализации.
2.3. Шейдерная обработка и метод статической оптимизации
2.3.1. Стандартный графический конвейер визуализации виртуальных сцен
2.3.2. Шейдерная модель визуализации виртуальных сцен
2.3.3. Метод статической оптимизации шейдерных программ
2.4. Трассировка лучей на графическом процессоре
2.5. Выводы.
Глава 3. Моделирование освещенности на основе шейдерной обработки.
3.1. Модель ФонгаБлина расчета освещенности
3.2. Расширенная модель расчета освещенности
3.2.1. Моделирование направленных источников освещения.
3.2.2. Расчет освещенности с учетом теней от объектов
3.3. Повышение реалистичности изображений с помощью попиксельного расчета освещенности
3.3.1. Моделирование теней от направленных источников света
3.3.2. Моделирование теней от всенаправленных источников света.
3.3.3. Микрорельеф поверхностей объектов.
3.3.4. Моделирование отражений от поверхностей объектов
3.3.5. Моделирование прозрачности объектов.
3.4. Выводы.
Глава 4. Моделирование реалистичной освещенности методом трассировки лучей
4.1. Модель вычисления освещенности Уиттеда.
4.2. Трассировка первичных лучей с помощью цветовых карт
4.3. Совмещенная визуализация виртуальных сцен с использованием цветовых карт .
4.4. Построение адаптивной регулярной сетки сцены
4.4.1. Этапы формирования регулярной сетки для трехмерной сцены
4.4.2. Алгоритм построения и заполнения регулярной сетки сцены.
4.5. Трассировка вторичных лучей с помощью ускоряющей структуры
4.6. Выводы
Глава 5. Экспериментальные результаты на основе системы визуализации ОЬУчу
5.1. Система визуализации СЬУуу
5.2. Интеграция разработанных решений в СЬУсуу
5.3. Тестирование предложенных методов и алгоритмов
5.3.1. Статические сцены.
5.3.2. Динамические сцены
5.4. Выводы
Заключение.
Список литературы


Также созданы новые методы и алгоритмы трассировки вторичных лучей, включающие эффективное построение и заполнение регулярной сетки для динамических виртуальных сцен в реальном режиме времени на графическом процессоре (вРи) и трассировку лучей с использованием данной сетки также на ОРи. Предложена новая эффективная технология синтеза изображений виртуальных сцен методом совмещенной визуализации с применением цветовых карт, использующая современные компьютерные методы обработки графической информации. Технология обеспечивает высокореалистичную визуализацию динамических трехмерных сцен с числом полигонов порядка б в реальном режиме времени. Методы и алгоритмы построения и заполнения регулярной сетки и трассировки вторичных лучей в реальном режиме времени для эффективного, вычисления освещенности высокополигональных динамических виртуальных сцен. Разработанные в диссертации технологии, методы и алгоритмы обработки и визуализации графической информации и расчета освещенности виртуальных сцен в реальном режиме времени реализованы в виде программных модулей. Эти модули могут быть использованы при реализации различных графических приложений и систем визуализации трехмерных сцен. К приложениям и системам такого рода можно отнести, например, системы виртуального окружения и системы синтеза изображений для имитационно-тренажерных комплексов управления сложными динамическими системами, системы моделирования, виртуальные руководства и виртуальные лаборатории, современные компьютерные игры и т. Международной молодежной научной конференции "XXXVII Гагаринские чтения" (г. Системный анализ и информационные технологии" (г. Научных семинарах Центра визуализации и спутниковых информационных технологий НИИСИ РАН. Разработанные программные модули прошли апробацию в ФГБУ «Научно-исследовательский испытательный центр подготовки космонавтов имени Ю. А. Гагарина» и показали свое соответствие требованиям, предъявляемым в настоящее время к системам визуализации проблемно-ориентированных трехмерных виртуальных сцен. По материалам диссертации опубликовано печатных работ, из которых 5 - в изданиях из перечня ВАК Минобрнауки России. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. В работе содержится рисунков и таблиц. Список литературы включает наименования. Первая глава посвящена обзору наиболее известных на сегодняшний день технологий, методов и алгоритмов расчета освещенности объектов трехмерных виртуальных сцен. В данной главе проводится анализ достоинств и недостатков этих методов и технологий, а также рассматривается возможность их использования в графических приложениях с реальным режимом времени визуализации. Описываются методы и алгоритмы, применяемые при расчете высокорсалистичной освещенности виртуальных объектов: трассировка лучей, излучательность (гаШскКу) и фотонные карты. Также в настоящей главе рассматриваются основные способы синтеза изображений трехмерных сцен. Заключительный раздел посвящен' детальному описанию метода трассировки лучей и анализу наиболее известных и используемых структур ускорения трассировки. В конце главы формулируются задачи, требующие дальнейшего исследования. Во второй главе предлагается и подробно рассматривается новый метод визуализации трехмерных виртуальных сцен — совмещенная визуализация. Он обеспечивает оптимальное соотношение между реалистичностью визуализируемого изображения трехмерной сцены и временем генерации кадра, являющимся одним из основополагающих факторов в таких графических приложениях, как, например, системы визуализации для тренажерных комплексов, системы виртуального окружения, виртуальные лаборатории и т. Метод основан на совместном использовании при вычислении освещенности виртуальных объектов шейдерной обработки и трассировки лучей на вРи и позволяет осуществлять высокорсалистичную визуализацию в реальном * режиме времени динамических сцен с количеством полигонов порядка 6. ОРи. В том числе, описываются структурные отличия механизма шейдерной обработки от стандартного графического конвейера, и предлагается новый метод статической оптимизации вершинных и фрагмент»ых программ, использующихся для расчетов попиксельного освещения в реальном режиме времени.