CC BY
9
ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЕ НАУКИ
ИССЛЕДОВАНИЕ АЛГОРИТМОВ СТЕРЕО-РЕНДЕРИНГА И АНАЛИЗ ИХ ЭФФЕКТИВНОСТИ Федцов А.В. Email: Fedtsov6109@scientifictext.ru
Федцов Алексей Владимирович - аспирант, кафедра информационных и управляющих систем, факультет математики и информатики, Амурский государственный университет, г. Благовещенск
Аннотация: в данной статье рассматриваются аспекты формирования стереоскопического изображения с помощью компьютерных технологий, а также способы передачи стереоскопического изображения зрительной системе человека. Дополнительно описаны основные этапы работы графического конвейера и процесса рендеринга, а также обобщенная структура системы обработки трехмерной информации. Также в статье упомянуты методы сокращения вычислительных затрат на рендеринг на основе упрощенных фотометрических расчетов трассировки лучей.
Ключевые слова: стерео-рендеринг, компьютерная графика, 3D-визуализация, графический ускоритель, графический конвейер.
RESEARCH OF STEREO RENDERING ALGORITHMS AND ANALYSIS OF THEIR EFFECTIVENESS Fedtsov А.^
Fedtsov Alexey Vladimirovich - Postgraduate Student, DEPARTMENT OF INFORMATION AND CONTROL SYSTEMS, FACULTY OF MATHEMATICS AND INFORMATICS, AMUR STATE UNIVERSITY, BLAGOVESHCHENSK
Abstract: this article discusses aspects of the formation of a stereoscopic image using computer technology, as well as methods of transmitting a stereoscopic image to the human visual system. Additionally, the main stages of the graphics pipeline and the rendering process are described, as well as the generalized structure of the 3D information processing system. Also, the article mentions methods for reducing the computational costs of rendering based on simplified photometric ray tracing calculations.
Keywords: stereo rendering, computer graphics, 3D visualization, graphics accelerator, graphics pipeline.
Компьютерная графика представляет собой науку и одну из современных технологий создания и обработки изображений с помощью аппаратных и программных средств компьютеров. Системы, реализующие задачи компьютерной графики, называют системами компьютерной графики.
Подавляющее большинство современных «классических» графических систем при реализации основных этапов процесса синтеза изображений, используют принцип конвейерной архитектуры, который позволяет существенно уменьшить время синтеза и обработки всего изображения в целом, причем, чем сложнее изображение, тем больше получается выигрыш во времени. Суть конвейерной организации при построении трехмерных графических изображений состоит в организации определенной последовательности действий, называемой графическим ЗD-конвейером. При этом некоторую группу операций, которая выполняют отдельное промежуточное действие, называют этапом (стадией) ЗD- конвейера. За выполнение отдельных этапов ЗD-конвейера отвечают (выполняют) отдельные подсистемы (могут
быть реализованы аппаратно, программно и аппаратно-программно). При аппаратной реализации эти подсистемы конвейера обычно называют «процессорами». На рис. 1 изображены основные стадии графического конвейера.
Сценарная подсистема
Геометрическая подсистема
Подсистема рендеринга
Подсистема ви зуализации
Рис. 1. Основные этапы графического конвейера
На этапе работы сценарного процессора определяются простые и составные объекты, их взаимное положение, порядок их обработки, формируется машинное представление сцены.
На этапе геометрических преобразований (рис. 2) выполняется декомпозиция сцены и координаты всех объектов приводятся к единой системе координат (мировая система координат). В компьютерной графике нередко используются приемы, с помощью которых сложные объекты представляются как совокупность простых (базовых) объектов, при этом каждый из базовых объектов может быть подвергнут некоторым геометрическим преобразованиям. Как правило, сложные геометрические преобразования представляются также через композицию относительно простых (базовых) преобразований, в качестве которых используются аффинные преобразования.
После этого выполняют перевод координат в пространство наблюдателя (видовые преобразования, проецирование), выполняют отсечение, удаление невидимых граней и преобразуют результаты в экранное пространство.
Затем выполняются вершинные (вертексные, vertex) преобразования - вычисляют их положение в экранной системе координат, векторы нормалей, освещенность, определяют текстурные координаты, и выполняют расчет освещения.
В заключение осуществляется формирование граней (каркасная модель).Возможна дополнительная обработка граней (оценка качества представления и формирование новых граней).
Рендеринг - этап конечного синтеза. Рендеринг считается наиболее трудоемким в графическом конвейере, поскольку связан с по-пиксельными действиями и сложными вычислениями. На этом этапе, согласно данным геометрических преобразований, формируются пиксели изображения - вычисляются экранные координаты и интенсивность цвета на основе расчетаосвещенности.
Способ расчета освещенности в заданной точке трехмерного пространства может быть решен двумя способами - с помощью построения полной математической модели освещения (глобальная модель освещения), либо модели закрашивания (локальная (упрощенная) модель).
При использовании глобальных моделей освещения трехмерную сцену рассматривают как единую систему, для которой описывают освещение с учетом взаимного влияния объектов. При этом рассчитывается многократное отражение и преломления света. При таком подходе возможно получить высококачественные фотореалистичные изображения, и на этом подходе основаны методы трассировки лучей, которые будут в дальнейшем рассмотрены в диссертационной работе применительно к организации одного из способов 3D- пространственной визуализации. Необходимо, однако, отметить, что эти методы требуют большого
Тесселяц!
Рис. 2. Основные функции геометрической подсистемы
объема сложных вычислений и их применение в компьютерной графике реального времени невозможно без использования средств параллельной аппаратной поддержки вычислительного процесса. Для уменьшения объемов вычислений возможно использование различных эмпирических моделей, основанных на упрощенных фотометрических расчетах, и ускоряющие техники трассировки лучей.
Важным, также, является и то, что применение методов трассировки лучей для синтеза изображений исключает необходимость организации вычислений с применением классического графического конвейера, ставшимде-факто «стандартом» как аппаратно-программной организации современных графических 3D-акселераторов, так и программных интерфейсов, что еще более усложняет процесс фотореалистичного синтеза вреальном времени.
При формировании изображений с использованием локальной модели освещения взаимодействие ограничивается только однократным отражением света от поверхности. При этом рассчитывается диффузная (diffuse) и спекулярная (specular) составная цвета, а рассеянный свет аппроксимируется. Такие модели наиболее распространены в настоящеевремя и применяются в системах реального времени.
После определения способа расчета освещенности в заданной точке трехмерного пространства эта модель освещения используется для расчетов освещенности трехмерных объектов при использовании так называемой модели закрашивания (Shading model, процедура закраски).
В заключении этапа рендеринга может применяться процедура финальной обработки (антиэлайсинг, коррекция дефектов, спец. эффекты, фильтрация, сглаживание и пр.), рис. 3.
Растери заци^^ невидимых ^^ ^ование ^^ Закраска ^^ с! б р а б о т ка"^^^
Рис. 3. Основные функции подсистемы рендеринга
В функции подсистемы отображения (визуализации) входят возможная постобработка синтезированных изображений и собственно функция визуализации на устройстве отображения (рис. 4).
Экранная постобработка у Визуализация
Рис. 4. Основные функции подсистемы отображения
Таким образом, на вход графического конвейера попадают координатыфизической точки реального мира, а на выходе получаются координаты точки в системе координат экрана и ее цвет.
Определяя особенности реализации основных этапов формирования графических изображений для 3D-систем отображения информации, необходимо учитывать специфику процесса объемной пространственной визуализации, и аспекты восприятия изображения зрительной системой человека.
При этом, суть процесса генерации 3D- изображения состоит в использовании особенности организации объемного восприятия зрительным аппаратом человека. Возможна реализация двух вариантов.
1. С использованием особенностей стереоскопического зрения человека, когда каждый глаз наблюдателя видит «свои», различные изображения окружающей обстановки, а мозг «сливает» эти изображения, формируя пространственный объемный образ, воспринимаемый человеком. Таким образом, процесс создания 3D-объемного изображения представляетсобой организацию синтеза комплексов из двух изображений (стереопары) с двукратным применением классических процедур
графического 3D-конвейера для генерации двух (или более) независимых проекционных изображений. 3D-визуализация полученных изображений осуществляется путем их преобразования (слияния) специальными устройствами 3D-мониторов и вспомогательного оборудования (шлемов виртуальной реальности, 3D-очков и пр.).
2. С использованием особенностей инерционности зрительного аппарата человека. В этом случае система формирует множество пространственных «срезов» -комплексов проекционных изображений сцены, которые затем последовательно визуализируются с большой скоростью на специальных объемных экранах 3D-монитора, и человек получает ощущение восприятия целостного пространственного объемного образа.
Особенностями реализации основных этапов синтеза 3D-объемного изображения способом создания комплекса проекционных 2D-изображений сцены в экранном пространстве 3D-дисплея по сравнению с рассмотренным выше классическим графическим 3D-конвейером будет определяться выбором метода генерации комплекса проекционных изображений (рис. 5).
Рис. 5. Основные этапы синтеза SD-изображения методом создания комплекса проекционных изображений в экранном пространстве SD-дисплея
Структура 3D СОИ при организации «псевдо 3D» путем воссоздания комплекса 2D-изображений на экране 3D-дисплея из готовых 2D-изображений фактически не предполагает никаких процедур 3D-расчета сцены, а базируется на принципах синтеза на основе готовых изображений (image based synthesis). При этом структуру 3D СОИ можно представить так,как показано на рис. 6.
Рис. 6. Обобщенная структура 3D СОИ для генерации «псевдо 3D»
Работа системы заключается в организации синтеза (воссоздания, «реставрации») 3D-изображения (обычно 3D-стерео) из имеющегося плоского 2D-изображения. Методы, применяемые при организации «псевдо 3D» синтеза не требуют явных геометрических моделей. Термин «неявная геометрия» означает, что 3D-положения точек не восстанавливаются, а целевое изображение (или некоторый их набор) преобразуется с помощью некоторых манипуляций в 3D-стерео изображение. Для этого используются технологии компьютерного зрения - специфические алгоритмы анализа изображений и создания карт глубины изображения, на основе которых происходит трансформация исходного изображения в стереопару. Таким образом, мы рассмотрели основные принципы подготовки и формирования стереоизображения с
помощью компьютерных технологий. В следующих статьях будут подробно рассмотрены алгоритмы стерео рендеринга и их отличительные особенности.
Список литературы /References
1. Dachille F. GI - Cube: An architecture for volumetric global illumination and rendering / F. Dachille and A. Kaufman // Proceedings of the 2000 SIGGRAPH/Eurographics Workshop on Graphics Hardware. 2000. P. 119-129.
2. Duncan L. Voxel - based spatial display / Duncan L. MacFarlane, George R. Schultz, Paul D. Higley, Jon E. Meyer // Proc. SPIE. Vol. 2177, 196 (1997).
3. Garanzha K. Fast Ray Sorting and Breadth-First Packet Traversal for GPU Ray Tracing / Garanzha K., Loop C. //Computer Graphics Forum. - Blackwell Publishing Ltd, 2010. Vol. 29. № 2. P. 289-298.
4. Gee Young Sung 2D/3D switchable autostereoscopic display apparatus and method / Gee Young Sung, Yun - Tae Kim, Du - Sik Park, Dong Kyung Nam, Ju Yong Park // US Pat. 00079584, 2010.
5. Geng J. Method and apparatus for an interactive volumetric three dimensional display // US Patent 7 098 872, 2010.
6. Geng J. Volumetric 3D Display for Radiation Therapy Planning / Geng J/ // Journal of Display technology. Vol. 4. № 4, 2008. December. P. 437-450.
