Анотація до роботи:

Бугрій Андрій Миколайович. Моделі і структури пристроїв формування зображень світлових і тіньових ефектів у системах візуалізації тренажерів транспортних засобів. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.13 – обчислювальні машини, системи та мережі. – Харківський національний університет радіоелектроніки, Харків, 2005.

Дисертація присвячена питанням побудови спецпроцесорів для формування зображення світлових і тіньових ефектів у системах візуалізації тренажерів транспортних засобів, що синтезують зображення методом зворотного трасування. У роботі запропоновано математичну модель синтезу зображень джерел світла довільної спрямованості з урахуванням ефектів розсіювання в атмосфері. Використання моделі дозволяє наповнити сцену світловими ефектами, і, як наслідок, підвищити реалістичність синтезованого зображення. Запропоновано метод класифікаційного опису тіньового простору і на його основі алгоритм синтезу зображення тіней, що формуються рельєфом. Використання методу класифікаційного опису дозволяє: синтезувати зображення тіней від рельєфу як на сам рельєф, так і на об'єкти сцени; за рахунок виконання частини обчислень по синтезу зображення на етапі підготовки даних скоротити загальну кількість обчислень у реальному часі, що дає можливість збільшити продуктивність системи візуалізації. Запропоновано метод сканування тіньових фігур об'єктів, що рухаються. Використання методу дозволяє в реальному часі формувати зображення тіней від об'єктів сцени, що рухаються, на рельєф, інші об'єкти сцени і самих на себе. Результати досліджень були використані при модернізації цифрової системи візуалізації авіаційного тренажера КТС Ту-154М в УД УСЦГА, м. Київ.

У дисертаційній роботі наведено ряд вирішень наукових задач, що полягають у розробці моделей, алгоритмів роботи спецпроцесорів і структур спецпроцесорів для синтезу світлових і тіньових ефектів в реальному часі, застосування яких дозволить підвищити реалістичність зображення. Отримані результати мають важливе наукове і практичне значення як для удосконалення існуючих, так і для створення нових ефективних систем візуалізації тренажерів транспортних засобів. Проведені дослідження дозволяють зробити такі висновки:

1. У результаті аналізу методів і апаратно-програмних засобів формування зображень та вимог до систем візуалізації тренажерів транспортних засобів обґрунтовано вибір методу зворотного трасування та необхідність створення моделей синтезу світлових та тіньових ефектів у сцені з метою удосконалення апаратно-програмних засобів для систем візуалізації.

2. Запропоновано модель синтезу зображень, що дозволяє врахувати фізіологію зору людини й особливості пристроїв відображення. Модель базується на тому, що світлові характеристики всіх об'єктів сцени визначаються в реальних фізичних характеристиках, які потім переводяться в характеристики пристрою відображення. Застосування моделі дозволяє підвищити реалістичність синтезованого зображення, і, як наслідок, підвищити якість підготовки операторів на тренажерах транспортних засобів.

3. Вперше запропоновано математичну модель синтезу зображень як спрямованих, так і неспрямованих джерел світла з урахуванням ефектів розсіювання в атмосфері. Модель базується на уявленні розсіювального середовища у вигляді часток, які характеризуються розміром, щільністю й індикатрисами розсіювання, що дає можливість імітувати такі явища, як розсіювання на частках туману, диму, пилу та ін. Використання моделі дозволяє проектувати апаратно-програмні засоби синтезу зображень, що мають можливість обробляти велику кількість джерел світла у сцені з урахуванням розсіювального середовища.

4. Одержав подальший розвиток алгоритм “захоплення” джерел світла. Підчас синтезу зображення джерел світла методом зворотного трасування, взаємне переміщення спостерігача і джерел світла призводить до виникнення явища аліайсинга (миготіння). Запропонований алгоритм дозволяє розробити апаратно-програмні засоби усунення явища аліайсингу за рахунок виконання операції “захоплення” джерел світла будь-якої форми, довільно розташованих у просторі.

5. Вперше запропоновано метод класифікаційного опису тіньового простору, що формує рельєф. Метод орієнтовано на проектування апаратно-програмних засобів для систем візуалізації. Він базується на обмеженні простору рельєфу оболонкою, і розподілі простору всередині оболонки на домени. Для кожного домену виконується класифікація ділянок рельєфу, що затінюють простір усередині досліджуваного домену. Використання методу класифікаційного опису дозволяє: синтезувати зображення тіней від рельєфу як на сам рельєф, так і на об'єкти сцени; за рахунок виконання частини обчислень під час синтезу зображення на етапі підготовки даних скоротити загальну кількість обчислень у реальному часі, що дає можливість розробити апаратно-програмні засоби синтезу зображення високої продуктивності.

6. Одержав подальший розвиток метод сканування об'єктів, що рухаються з метою удосконалення апаратно-програмних засобів систем візуалізації. Розвиток методу сканування складається в адаптації його для сканування тіньових фігур об'єктів, що рухаються. Запропонований метод сканування дозволяє в реальному часі формувати зображення тіней від об'єктів сцени, що рухаються, на рельєф, інші об'єкти сцени і самих на себе. Використання методу дає можливість реалізувати високопродуктивну систему візуалізації для тренажерів транспортних засобів.

7. На основі запропонованих методу класифікаційного опису тіньового простору, що формує рельєф, і методу сканування тіньових оболонок об'єктів сцени розроблено алгоритм синтезу тіньових ефектів, на базі якого можливе проектування архітектури спецобчислювача системи візуалізації реального часу.

8. Підтверджено результатами математичного та імітаційного моделювання, що розроблені моделі й алгоритми можна використовувати для формування реалістичного зображення світлових і тіньових ефектів.

9. Розроблено структурні і функціональні схеми спецпроцесорів формування зображення світлових і тіньових ефектів з використанням паралельно-конвеєрного принципу, що дозволяє побудувати на їхній основі системи візуалізації реального часу.

10. Практичне значення підтверджується впровадженням результатів дисертаційної роботи на авіаційному тренажері КТС Ту-154М в УД УСЦГА, м. Київ (довідка про впровадження від 12.06.2003), а також у навчальний процес на кафедрі ЕОМ ХНУРЕ, м. Харків (акт про впровадження від 15.10.2003).

Публікації автора:

1. Гусятин В.М., Бугрий А.Н. Математическая модель расчета освещенности от ненаправленных источников света с учетом атмосферных условий в системах визуализации // Радиоэлектроника и информатика. – 2002. – №4. – C.85-87.

2. Гусятин В.М., Остроушко А.П., Бугрий А.Н. Подход к описанию отражающих свойств поверхности в задачах синтеза изображения методом обратного трассирования // Радіоелектронні і комп’ютерні системи. Науково-технічний журнал.– Харків: "ХАІ", 2004. – № 3 (7). – С.15-18.

3. Гусятин В.М., Бугрий А.Н. Расчет угловой погрешности спецпроцессора в системе визуализации // Автоматизированные системы управления и приборы автоматики: Сб. научн. трудов. Выпуск 112. – Харьков: ХТУРЭ, 2000. – С.4-10.

4. Гусятин В.М., Бугрий А.Н., Остроушко А.П., Определение цветовых параметров пикселов с учетом физических характеристик источников света // Вестник Национального технического университета "ХПИ". Сборник научных трудов. Тематический выпуск: Автомобиле- и тракторостроение. – Харьков: НТУ "ХПИ", 2004. – №24. – С.13-18.

5. Гусятин В.М., Бугрий А.Н. Математическая модель синтеза изображений рассеянного света для систем визуализации. // Вісник Національного технічного університету "ХПІ". Збірник наукових праць. Тематичний випуск: Автоматика та приладобудування. – Харків: НТУ "ХПІ", 2003. – №19. – С. 25-28.

6. Гусятин В.М., Бугрий А.Н. Синтез изображений ненаправленных источников света в системах визуализации тренажеров транспортных средств // Вісник Національного технічного університету "ХПІ". Збірник наукових праць. Тематичний випуск: Автоматика та приладобудування. – Харків: НТУ "ХПІ", 2002. – №18. – С. 3-6.

7. Гусятин В.М., Бугрий А.Н. Классификация теневого пространства и синтез теней, формируемых рельефом // Вісник Національного технічного університету "ХПІ". Збірник наукових праць. Тематичний випуск: Автоматика та приладобудування. – Харків: НТУ "ХПІ", 2003. – №26. – C. 53-57.

8. Гусятин В.М., Бугрий А.Н. Математическая модель и алгоритм классификации теневых фигур // Автоматизированные системы управления и приборы автоматики: Всеукраинский межведомственный нучно-технич. вестник. Выпуск 126. – Харьков: ХНУРЭ, 2004. – С. 83-87.

9. Гусятин В.М., Бугрий А.Н. Классификация и сканирование самосветящихся объектов в задачах синтеза изображений для систем визуализации. // V-я Международная научно-техническая конференция «АВИА-2003»; научные труды / НАУ, Киев, 2003. – C. 15-18.

10. Филимончук М.А., Бугрий А.Н. Геометрическое описание движущихся объектов в системах визуализации реального времени // Радиоэлектроника и молодежь в ХХI веке: Материалы VII-го Международного молодежного форума (22-24 апреля 2003 г.). – Харьков: ХНУРЭ, 2003. – С. 469.