Романюк Олександр Никифорович. Високопродуктивні методи та засоби кінцевої візуалізації тривимірних зображень у системах комп'ютерної графіки

Краткое описание

Романюк Олександр Никифорович. Високопродуктивні методи та засоби кінцевої візуалізації тривимірних зображень у системах комп'ютерної графіки : Дис... д-ра наук: 05.13.05 - 2009.

Романюк О.Н. Високопродуктивні методи та засоби кінцевої візуалізації тривимірних зображень у системах комп’ютерної графіки. Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.13.05 Комп'ютерні системи та компоненти. Вінницький національний технічний університет, Вінниця, 2009.
У дисертаційній роботі розвинуто теорію кінцевої візуалізації тривимірних графічних об’єктів, що дозволило вирішити науково-прикладну проблему підвищення продуктивності та реалістичності формування зображень у системах комп’ютерної графіки з використанням концепції структурно-адаптивного зафарбовування, нових моделей освітлення, методів зафарбовування, формоутворення та aнтиaліaйзингу. На основі отриманих теоретичних положень розроблено високопродуктивні програмні та апаратні засоби для систем формування тривимірних графічних зображень.
Комп’ютерне моделювання, експериментальні дослідження та впровадження розроблених засобів у системах комп’ютерної графіки підтвердили адекватність розроблених теоретичних засад і ефективність запропонованих методів.

У дисертаційній роботі розвинуто теорію кінцевої візуалізації тривимірних графічних об’єктів, що дозволило вирішити проблему підвищення продуктивності формування зображень та їх реалістичності у системах комп’ютерної графіки з використанням нових моделей освітлення, методів і засобів зафарбовування, формоутворення та aнтиaліaйзингу. У ході досліджень було отримано такі результати.
1. Розроблено концепцію структурно-адаптивного зафарбовування, яка полягає в попередньому аналізі тріангуляційної структури тривимірного об'єкта з подальшим адаптивним вибором моделей освітлення та методів зафарбовування, і забезпечує підвищення продуктивності до двох разів за рахунок вилучення надлишкових обчислень при візуальній ідентичності відтворення тривимірних графічних об’єктів. Запропоновано сукупність методів для ідентифікації відблисків на поверхні тривимірних об’єктів, що дозволяє виключити з обчислювального процесу трудомісткий розрахунок спекулярної складової кольору, коли вона не має візуального прояву і, як наслідок, зменшити час зафарбовування.
2. Розроблено теоретичні засади високопродуктивного зафарбовування тривимірних об’єктів, що включають методи прискореного визначення нормалізованих векторів, нові моделі для відтворення рефлекторних властивостей поверхонь, нові методи визначення дифузної та спекулярної складових кольору. Запропоновані методи та моделі використовують прості з обчислювальної точки зору функції і операції, що дає можливість прискорити формування зображень як на програмному, так і на апаратному рівнях.
3. Уперше запропоновано методи коректного відтворення кольорів при зафарбовуванні тривимірних графічних об’єктів, основані на лінійному інтерполюванні інтенсивностей складових кольору, лінійній та сферично-кутовій інтерполяції векторів і враховують перспективне проекціювання, що дозволяє підвищити реалістичність формування графічних сцен за рахунок установлення відповідності кольору точок поверхонь в об’єктній та екранній системах координат.
4. Отримано нові співвідношення для перспективно-коректного накладання текстури, які враховують властивість ангармонійного відношення чотирьох колінеарних точок, що дає можливість прискорити на 20 % текстурування за рахунок зменшення кількості операцій ділення та множення.
Для перспективно-коректного нанесення текстури пропонується використовувати неортогональний напрямок растеризації ділянки, обмеженої полігоном, за умови, що рядки растеризації в об’єктній системі координат розміщено на фіксованій відстані від спостерігача. Це дає можливість спростити текстурування рядків растеризації трикутника за рахунок вилучення з обчислювального процесу операції ділення та множення. Зокрема, врахування крокового переміщення з поточного рядка растеризації для переходу до наступного при формуванні прямокутного вікна зображення, розміщеного під довільним кутом відносно осей координат, дозволяє вдвічі зменшити апаратні витрати.
5. Розроблено два нових методи прискореного контурного формоутворення, особливість яких полягає у визначенні не однієї, а відразу декількох точок траєкторії. Особливість першого з них полягає в зустрічному формуванні крокової траєкторії, що дає можливість до двох раз підвищити продуктивність лінійного інтерполювання. Другий метод забезпечує підвищення швидкодії інтерполяції за рахунок сегментного формування траєкторії та враховує апріорний статистичний розподіл крокових приростів для вибору оцінювальної функції.
6. Удосконалено методи контурного aнтиaліaйзингу за рахунок суміщення процедур визначення координат точок траєкторії та їх інтенсивностей складових кольору, що забезпечує зменшення обчислювальних витрат, спрощення апаратної реалізації та дозволяє згладжувати крокову траєкторію у темпі її формування:
установлено взаємозв'язок між абсолютною похибкою лінійного інтерполювання та значенням оцінювальної функції, що дозволило перейти від лінійного інтерполювання за значеннями приростів координат відрізка прямої до лінійного інтерполювання за значеннями інтенсивностей складових кольору;
установлено взаємозв’язок площі фрагмента піксела зі значенням оцінювальної функції, що дає можливість визначити інтенсивності складових кольору за її квантованими рівнями та реалізувати антиаліайзинг на основі лінійної інтерполяції відрізка прямої з використанням мікрооперацій порівняння без ускладнення циклу підготовки;
доведено можливість суміщення при формуванні контурів 3D-зображень процедур напівтонового зафарбовування та aнтиaліaйзингу, для яких має місце одночасна зміна інтенсивностей складових кольору.
7. Узагальнено метод додаткових оцінювальних функцій для aнтиaліaйзингу кривих другого порядку, заданих загальним рівнянням. Суть методу полягає у введенні субпікселізації для контурів графічних об’єктів і визначенні складових кольору піксела з використанням оцінювальних функцій, розрахованих у допоміжних точках усередині піксела. Метод не містить «довгих» операцій у циклі інтерполювання, має просту апаратну реалізацію, не потребує збільшення розмірів кадрового буфера та фільтрації на стадії постоброблення.
8. Запропоновано метод усунення артефактів при растеризації ребер суміжних полігонів, який полягає в локалізації на етапі формування зображення точок, не вибраних при растеризації, що виключає необхідність постоброблювання зображень при реалізації алгоритмів зафарбовування.
9. Створено діючі високопродуктивні програмні та апаратні засоби для рендерингу тривимірних зображень у системах комп'ютерної графіки. Розроблено структурні схеми пристроїв для систем формування тривимірних зображень, що є основою для виготовлення конкурентоспроможних зразків цієї продукції. Сформульовано рекомендації щодо проектування засобів для систем кінцевої візуалізації тривимірних графічних зображень. Розроблено програмні засоби для моделювання та тестування методів рендерингу, які дозволяють отримати порівняльні оцінки за точністю та продуктивністю.
10. Результати дисертаційної роботи впроваджено на ряді підприємств, а також у навчальному процесі у Вінницькому національному технічному університеті.
Отримані характеристики та параметри розроблених апаратних і програмних засобів підтверджують коректність наукових положень та адекватність запропонованих моделей.