Разработка методов и технологии обработки трехмерных изображений с применением шейдерной графики

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех разделов, заключения, приложения и списка использованных источников. Объем диссертации 100 страниц машинописного текста, включая библиографию 95 наименований, рисунков 16 и таблиц 9.

Содержание работы

Во введении показывается актуальность выбранной темы исследований, формулируется постановка проблемы. Важность проблемы и современные тенденции ее решения отражены в обзоре литературы. Кратко перечислены основные цели и результаты диссертации.

Первый раздел посвящен анализу современных способов представления трехмерной динамической графики. Рассмотрена задача передачи динамических изображений по сети Интернет для различных типов математических описаний трехмерных сцен. В частности, рассмотрены технологии передачи векторной графики Macromedia Flash, в том числе различные способы транспортировки трехмерных сцен, такие как: генерация изображения Flash-машиной (интерпретатором языка ActionScript и формата SWF в целом) на клиентском компьютере «на лету» по XML-представлению, имитация трехмерной графики с использованием графического редактора Flash3D. Также приведен обзор таких популярных транспортных форматов трехмерной графики как IGES, DXF, STEP, SVG, указаны достоинства и недостатки этих форматов, их основные области применения.

В разделе подробно рассмотрены обработки и технологии графической информации и ее трансформация в интерактивные транспортные форматы трехмерной динамической фотореалистичной компьютерной графики VRML и X3D, поддерживающие транспортировку сцен уровня виртуальной реальности. Отмечены трудности мануального создания сцен, сложность которых превышает уровень сложности простой комбинации стандартных примитивов. Сделан вывод об эффективности автоматизированной генерации X3D описаний в случае построения параметризованных наборов сцен, который сравнительно часто встречается в практике разработки обучающих систем, систем автоматизированного контроля знаний, систем автоматизированного геометрического моделирования, проектирования и технологической поддержки промышленного производства.

В этом разделе также приведены методы обработки и управления данными, позволяющие повысить скорость передачи данных за счет уменьшения их объема путем различных видов кодирования (кросс-кадровое сжатие, сжатие с частичной потерей информации и т.д.). Также изучены методы конструктивной геометрии, оперирующей с высокоуровневыми примитивами. Показано, что использование таких методов, в определенных классах существенно векторных изображений позволяет обеспечить высокую степень сжатия транспортируемого файла. Рассмотрены ограничения, накладываемые этими методами на изобразительные возможности сцены, связанные с невозможностью применения графических эффектов, повышающих выразительность сцены.

В первом разделе также показана эффективность обработки и передачи информации с применением процедурных описаний графических и анимационных эффектов в трехмерной векторной графике. Под графическими эффектами здесь и далее понимаются особенности визуализации объектов с заданной геометрической формой, зависящие от модели освещения сцены (в том числе среды распространения света), а также от взаимодействия материала поверхности объектов с падающим на нее светом. Под анимационными эффектами понимаются в первую очередь изменения формы объектов с течением времени, а также изменения других параметров сцены.

Пример 3D сцен на рисунке 1.

обработка динамический изображение интернет

Рис.1. Представление трехмерных объектов в Интернет.

Выводы первого раздела:

Контент web-страниц является все более объемным и насыщенным высококачественной графикой. Несмотря на постоянное увеличение пропускной способности сетевых каналов, задача создания компактного транспортного графического формата для фотореалистичной трехмерной графики остается актуальной.

Компактный транспортный графический формат для широкого класса фотореалистичных трехмерных изображений может быть создан не только за счет совершенствования алгоритмов сжатия данных, но и путем процедурного описания используемых анимационных и визуальных эффектов.

Во втором разделе рассматривается возможность использования современных языков и систем программирования графических процессоров для компактного представления анимационных и графических эффектов, обеспечивающих наглядность и реалистичность изображений.

В начале раздела приведены основные сведения о современных технологиях шейдерного микропрограммирования графических процессоров, рассмотрены особенности архитектуры современных графических процессоров.

Проводится сравнительный анализ высокоуровневых языков шейдерного микропрограммирования графических процессоров HLSL, GLSL, CG, широко распространенной системы шейдерного программирования RenderMonkey фирмы ATI. Приводятся примеры микропрограммирования различных стадий графического конвейера (пиксельные и вершинные шейдеры) для нескольких предметных областей.

Архитектуры вершинного и пиксельного шейдера показаны на рис. 2а и 2б.

Рис.2а. Архитектура вершинного шейдера.

Рис.2б. Архитектура пиксельного шейдера.

В этом же разделе рассмотрены и систематизированы типы анимационных и графических эффектов. В качестве основы классификации предложены методы параметризации эффектов их зависимость от геометрической формы объектов сцены.

Рис.3. Шейдерное преобразование.

Рис.4. Графическая модель волны.

Далее, на основании этого анализа, делается вывод об эффективности по памяти процедурного представления анимационных и графических эффектов.

В данном разделе отдельно рассмотрены реализация типичных анимационных эффектов с помощью вершинных шейдеров и реализация графических эффектов с применением пиксельных шейдеров HLSL. Также описаны особенности использования текстур в шейдерном графическом программировании.

Приведены примеры реализации нескольких типовых шейдерных эффектов для сцен, состоящих из объектов различной геометрической формы.

Также предложено решение проблемы обработки и передачи изображений, включающих шейдерные процедуры с помощью формата X3D, расширенного, например, HLSL-узлами.

Выводы второго раздела:

Поддержка шейдерного микропрограммирования является фактическим стандартом для современных графических процессоров.

Использование шейдерных программ для транспортного представления анимационных и графических эффектов выгодно с точки зрения повышения скорости передачи данных.

В качестве физической реализации процедурного представления анимационных и графических эффектов удобно использовать шейдерные микропрограммы, оформленные в шейдерные узлы формата X3D.

В третьем разделе рассматривается предложенная автором диссертационного исследования система генерации трехмерных динамических изображений, использующих шейдерную графику. Целью данной системы является автоматизированное создание пригодных для Интернет-трансляции файлов, содержащих фотореалистичные изображения трехмерных анимированных сцен, полученные применением заранее подготовленных графических и анимационных эффектов к параметризованным шаблонам сцен. В данном разделе подробно описаны:

- формат представления графических и анимационных эффектов;

- формат представления шаблонов сцен;

- пользовательский интерфейс системы;

- ограничения совместимости эффектов и шаблонов сцен;

- методика использования системы, включая рекомендации по созданию шаблонов сцен и наборов эффектов.

Схема работы системы приведена на рис. 5

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.5. Схема работы системы генерации трехмерных динамических изображений.

На рис. 6 приведен пример пользовательского интерфейса системы. В окне пред просмотра - сгенерированное изображение.

Рис.6. Пример пользовательского интерфейса системы.

На рис. 7a и 7б показан пример применения одного и того же эффекта к двум различным текстурам. Рис. 7в и 7г содержат пример применения различных эффектов к одной текстуре.

Рис 7. а-б: Применение одного эффекта к двум различным текстурам; в-г: Эффекты к одной текстуре.