Исследование и разработка методов визуализации в крупномасштабных системах виртуального окружения для научных, образовательных и промышленных приложений

• Автор: Никитина, Ляля Дамировна
• Шифр специальности: 05.13.18
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2002
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 154 с. : ил

Содержание
Введение

1 Крупномасштабные системы виртуального окружения

1.1 Аппаратные конфигурации

1.1.1 .
1.1.2 .
1.1.3 iv .
1.1.4 .
1.1.5 V.

1.2 Программная среда Аванго.

1.2.1 Основные принципы

1.2.2 Распределенные приложения
2 Методы, разработанные автором для визуализации в крупномасштабных системах виртуального окружения
2.1 Устранение артефактов деполяризации пасснвиых
систем
2.1.1 Особенности пассивной стереопроекции
2.1.2 Метод устранения артефактов
2.1.3 Результаты.
2.1.4 Дополнение настройка пассивной стереосистемы
2.2 Ускорение графической обработки с помошью ана
лиза видимости объектов для отрисовки сцен высокой сложности
2.2.1 Реализация алгоритма нсключеиия заслоненных объектов
2.2.2 Результаты
3 Методы визуализации, разработанные автором для применения в научных, образовательных и
промышленных целях
31 Математическая визуализация в виртуальном окружении
3.1.1 Методы визуализации
3.1.2 Видеофильм Приключения ленты Мебиуса
3.1.3 Результаты.
3.1.4 Дополнение деформация стерео текстур . .
3.2 Астрономическая визуализация в виртуальном окружении
3.2.1 Нелинейная геометрическая модель
3.2.2 Модель движения наблюдателя.
3.2.3 Изображения планет.
3.2.4 Звездные данные
3.2.5 Созвездия
3.2.6 Навигация .
3.2.7 Звуковое сопровождение
3.2.8 Принципиальная схема.
3.2.9 Результаты.
3.3 Моделирование деформаций упругих объектов в виртуальных окружениях в реальном времени . . .
3.3.1 Использование метода конечных элементов
и иредвычислеыных функции Грина
3.3.2 Использование метода граничных элементов
3.3.3 Результаты.
3.3.4 Дополнение 1 За пределами теории малых деформаций
3.3.5 Дополнение 2 О точном определении области физического контакта .
4 Примеры использования систем виртуального окружения в научных, образовательных и промышленных целях
4.1 Научные приложения
4.1.1 Визуализация структуры решений в теории
релятивистских струн.
4.1.2 Визуализация критических явлений в релятивистской электродинамике
4.1.3 Визуализация топологического атласа интегрируемых случаев в динамике твердого тела
4.2 Образовательные приложения
4.2.1 Топологический зоопарк.
4.2.2 Виртуальный планетарии.
4.2.3 Археологическая реконструкция
4.2.4 Виртуальный музей
4.3 Промышленные приложения.
4.3.1 Упругие деформации
Заключение
Приложение
Библиография


Большинство систем виртуальных окружений имеют сходную аппаратурную конфигурацию. Центральное место занимают: графический обработчик - SGI суперкомпьютер или Linux кластер, который обрабатывает данные, и проекционная система, которая отображает их на экран, а также устройство слежения, которое измеряет положение и ориентацию головы пользователя. Данные, произведенные устройством слежения, читаются графическим обработчиком, чтобы определить перспективно правильное изображение для любой точки зрения пользователя. В первох( разделе первой главы произведено детальное описание, сравнение, а таш анализ преимуществ и недостатков различных конфигураций крупномасштабных систем виртуального окружения. Основным требованием, предъявляемым к программному обеспечению таких систем является высокая скорость графп-чсской обработки, интерактивная визуализация сложных сцен, эффективная синхронизация параллельно исполняемых процессов. Системы для разработки приложений в виртуальном окружении обеспечивают разработчика высокоуровневым интерфейсом для представления сложных геометрических моделей в виде графа сцены и обработки этого графа. Разработчик отгорожен от дета-лей взаимодействия с низкоуровневой графикой и системными программными интерфейсами и может скон-цснтрироаться на разработке собственно приложения. Одной из таких высокоэффективных сред являемся система А ван г. Эта система обеспечивает разработчиков концепцией обобществленного графа сцены, доступного всем процессам, образующим распределенное приложение. Каждый процесс обладает локальной копией графа сцены и содержащейся п нем информация о состоянии, которая поддерживается синхронизованной. Разработка таких распределенных приложений особенно необходима для реализации виртуальных окружений на кластерах Біпих РС. Структура системы Аван го описана во втором разделе первой главы диссертации. Во второй главе описаны методы, разработанные автором диссертации для визуализации в крупномасштабных системах виртуального окружения, основанных на кластерах персональных компьютеров и общедоступном проекпионном оборудовании. В первом разделе второй главы описана схема устранения артефактов деполяризации н пассивных стерео-ароекциоялых системах, нарушающих стерео-восприятие. Такие проблемы возникают вследствие несовершенства стерео-проекпионного оборудования и могут быть устранены программными методами. В подразделе 1 описаны особенности пассивных стерео-проекционных систем, которые наиболее удобны для создания многопользовательских крупномасштабных виртуальных окружений. Такие системы обычно основаны на разделении изображений с помо-шыо поляризации света, типичными проблемами для пих являются: деполяризация света при отражении от экрана или прохождении через экран, не идеальность поляроида ых фильтров, смешивание левого и правого изображений при изменении взаимного положения фильтров, которое возникает, например, при наклоне головы пользователя. Частично эти проблемы устраняются при использовании с истем слежения за положением головы пользователя, высококачественных фильтров и экранов из специального материала, обладающего минимальной степенью деполяризации. В подразделе 2 изложен метод устранения оставшихся помех, основанный на предварительной фильтрации изображения перед передачей его на экран. Данный алгоритм реализован в системе А ван го, используя текстурные отображения. Прн этом все необходимые операции выполняются графической картой, что обеспечивает высокую скорость обработки. В подразделе 3 описаны результаты, полученные при использовании данного метода- В дополнепин к разделу приводится описание типичной процедуры настройки пассивной стерео-проекционной системы, необходимой для обеспечения точной компенсации помех. Для создания ощущения полного погружения в виртуальную реальность требуется высокая степень детализации сиены. Увеличение объема данных интенсифицирует графическую нагрузку, требуя новых подходов к ускорению графики. Важным параметром, измеряющим графическую нагрузку, является так называемая сложность по глубине, т.