РАЗДЕЛ 2
ОПИСАНИЕ ДВИЖУЩИХСЯ ОБЪЕКТОВ
В разделе рассматривается модель описания движущихся объектов (ДО) для системы визуализации, работающей методом обратного трассирования. Дана характеристика современных способов геометрического описания объектов трехмерной сцены, а также способов описания их пространственного положения. Обоснована необходимость введения в описание движущихся объектов нового вида описания - классификационного, позволяющего сократить количество вычислений в реальном времени при визуализации ДО сцены.
2.1. Особенности описания движущихся объектов
Для систем визуализации тренажеров транспортных средств важным показателем является степень реалистичности синтезированного изображения. Это требует с одной стороны, высокой производительности вычислительных средств системы, с другой - применение такого описания объектов сцены, при котором сохраняется достаточно высокая реалистичность изображения и снижается время его синтеза. В системах визуализации (СВ) трехмерное пространство представляется сценой. Трехмерная сцена обычно включает в себя следующие компоненты: устилающая поверхность (поверхность Земли), искусственные объекты, объекты, представляющие собой заданные метеоусловия (облака), источники света. В свою очередь, искусственные объекты могут быть неподвижными (дома, промышленные сооружения, дороги) и движущимися (динамическими), например, транспортные средства. Такое разделение обуславливается тем, что при визуализации сцены методом обратного трассирования в реальном времени каждый компонент, в зависимости от своих особенностей, требует отдельного подхода к построению его описания и алгоритма визуализации. Устилающая поверхность занимает наибольший, по сравнению с остальными компонентами, объем сцены. Это требует предварительного сканирования сцены для определения попавшей на экран части устилающей поверхности [46]. Также необходимо при составлении описания устилающей поверхности максимально уменьшать объем памяти, требуемой для ее хранения. Искусственные неподвижные объекты занимают меньше пространства сцены, чем устилающая поверхность, но для их геометрического описания требуется больший набор графических примитивов. В свою очередь, движущиеся объекты сцены занимают достаточно компактное пространство, но они изменяют свое положение и ориентацию с течением времени. Рассмотрим описание движущихся объектов.
Описание ДО можно разделить на следующие компоненты:
- геометрическое описание, которое дает представление о форме ДО, его структуре и составных частях, положении в пространстве. Отдельные элементы геометрического описания могут быть статическими и динамическими, т.е. изменяющие свое положение и форму в течение существования объекта;
- текстурное описание, служит для хранения информации о внешнем виде ДО и свойствах его поверхности (прозрачность, отражающая способность, цвет);
- классификационное описание [73], используется при синтезе изображения ДО для сокращения времени визуализации (см. ниже п.2.3).
2.2. Геометрическое описание движущихся объектов
2.2.1. Способы описания геометрических объектов. Для представления структуры и формы геометрических объектов разработаны различные способы описания [4, 53, 54, 62-64, 74]. Рассмотрим основные способы описания объектов сцены:
а) Определение экземпляров примитивов (primitive instancing) [75], геометрические макромодели, - используется, главным образом, в САПР. В моделирующей системе определен набор примитивов - базовых трехмерных форм тел, относящихся к прикладной области. Например, параллелепипед, грани которого параллельны базовым плоскостям системы координат, определяется следующим набором параметров:
{"параллелепипед", Sx, Sy, Sz},
где "параллелепипед" - тип примитива;
Sx,Sy,Sz - размеры примитива по осям X, Y и Z соответственно.
Из каждого примитива можно определить экземпляры (instances), которые, в дополнение к основным параметрам примитива обладают рядом дополнительных. Дополнительные параметры могут включать в себя общие - масштабирование, вращение, перенос, а также специфические для данного примитива - количество граней пирамиды, соотношение ребер параллелепипеда и т.д. Широко применяется технология группировки, при которой экземпляры группируются, образуя один объект. В чистом виде данный способ описания геометрических объектов используется редко, т.к. для каждого типа примитивов необходимы собственные алгоритмы определения их свойств.
б) Пространственное деление (spatial decomposition) [76]. Основная идея заключается в разделении пространства на подпространства - ячейки и составление списка из ячеек, содержащих моделируемый объект. Существуют следующие способы деления пространства на ячейки:
- Регулярное (однородное) деление, при этом ячейки пространства имеют фиксированные размеры, определяющие точность представления объекта. Кубическая ячейка в трехмерном пространстве носит название воксель. В данном случае имеет место так называемая "лестничная" аппроксимация. Для получения удовлетворительной точности представления объектов, ячейки должны иметь достаточно малые размеры, что ведет к значительному увеличению описания объекта. Основное достоинство данного способа описания - простота;
- Иерархическое деление, для трехмерного пространства - октантные деревья (octrees). С целью уменьшения объема памяти, требуемой для воксельного представления, разработаны системы, которые используют идею разбиения ячеек на подъячейки меньшего размера. Последние применяются в тех случаях, когда ячейка захватывает границу объекта, и здесь в целях повышения разрешения задействуются подъячейки, регулярно заполняющие ячейку-границу;
- Деревья пространственного деления (binary space-partitioning, BSP trees). В отличие от октантных деревьев и воксельного представления, где пространство делилось взаимо-перпендикулярными плоскостями, BSP-деревья рекурсивно делят пространство на пару подпространств, разделенных плоскостью произвольной ориентации