Механизм моделирования сколов и осколков разрушенных объектов сложной формы Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

УДК 004: [614.89+351]

А.А. Рыженко

Академия Государственной противопожарной службы МЧС России (г. Москва)

МЕХАНИЗМ МОДЕЛИРОВАНИЯ СКОЛОВ И ОСКОЛКОВ РАЗРУШЕННЫХ ОБЪЕКТОВ СЛОЖНОЙ ФОРМЫ

Аннотация

Проблемы дистанционного управления силами и средствами при ликвидации ЧС и пожаров актуальны. Важную роль играют методы моделирования текущей обстановки. В статье представлен усовершенствованный механизм визуализации разрушений зданий и сооружений сложной формы.

Ключевые слова:

модель, информационная система, компьютерная графика, дуализм.

A.A. Ryzhenko

THE MECHANISM OF MODELLING OF CHIPS AND SPLINTERS OF THE DESTROYED OBJECTS OF THE DIFFICULT FORM

Abstract

Problems of remote control of forces and means at elimination of an emergency and the fires are actual. An important role is play by methods of modeling of the current situation. The advanced mechanism of visualization of destructions of buildings and constructions of a difficult form is present in article.

Keywords:

model, information system, computer graphics, dualism.

Введение

Использование геоинформационных систем с поддержкой управления в структурах и подразделениях МЧС России, способных моделировать и отображать текущую обстановку на основе снимков стационарных спутников и цифровых изображений оперативной выездной бригады, позволяет более эффективно принимать решения территориально удаленной экспертной комиссией. Тем не менее, существует ряд проблем в адекватном отображении информации, в частности, целостного моделирования разрушений сложных объектов. Данная задача обоснована постоянными конфликтами между собственниками разрушенных объектов и сотрудниками МЧС при проведении аварийно-восстановительных работ. Как правило, собственник требует полного восстановления объекта с минимальными затратами, что не всегда возможно.

Обзор информационных технологий позволил сделать вывод, что существующие графические ядра либо не позволяют отображать в трехмерном виде с достаточной степенью детализации разрушенные здания и сооружения [1, 2], либо требуют избыточных аппаратных ресурсов. В работе предлагается усовершенствованный механизм и алгоритм его использования для визуализации объектов сложной формы с применением метода дуального моделирования [3, 4].

В качестве исходных данных используются оцифрованные эскизы и экспликации зданий и сооружений, а также цифровые фотоизображения в растровом формате. На предварительном этапе происходит векторизация

204

элементов с применением алгоритмов распознавания образов. Модификация классических механизмов перевода растра в вектор не является задачей данной работы. Как следствие, результатом этапа является частичный перевод в векторный аналог, формируются только прямые линии, ломанные или кривые, попадающие под алгоритм Безье кривых третьего порядка. Дальнейшее комплексное применение двух полученных типов графики дает материал для анализа и обработки исходных данных.

Результат предварительной обработки (векторизация экспликаций) дает проволочный каркас модели объекта до момента разрушения. Использование растрового изображения для формирования текстурной «шкуры» (skin) «натянутой» на полученный каркас позволяет отобразить модель реального объекта (рис. 1). Тем не менее, при проектировании разлома кромка разрушений может иметь хаотичный профиль, что не всегда можно задать сеткой триангуляции, так как бесконечное уменьшение размеров векторных полигонов не может привести к нужному результату. В качестве дополнительного инструмента предлагается использовать воксельную графику.

Рис. 1. Пример необходимого элемента для дуального моделирования

На рис. 2 представлен алгоритм возможного применения комбинации двух типов трёхмерной графики в единой системе координат.

Алгоритм моделирования осколков фрагментов разрушенного объекта можно представить следующей последовательностью действий (рис. 2):

- на основе векторных эскизов экспликаций зданий и сооружений строится каркасная модель проектируемого объекта сложной формы;

- полученный векторный каркас заполняется текстурами;

- дальнейшая частичная векторизация фотоизображений разлома (разрушений) дает представление (модель) фрагмента;

- используя модель отчуждения разбиений (эффект пазла), на оцифрованных фотоизображениях производится поиск фрагментов и осколков;

- осколки моделируются в виде триангулярной векторно-полигональной сетки, затем собираются в фрагменты;

205

- заполнение остаточных пустот фрагментов (для дальнейшей детализации) производится путем вокселизации сколов.

Рис. 2. Блок-схема алгоритма моделирования осколков объекта разрушения

Механизм применения двух автономных типов графики в единой системе координат (основанный на принципе дуализма), представлен на рис. 3. В качестве направляющего основания для формирования воксельной модели используется крайний вектор полигона, который не имеет двух замыкающих векторов и не образует полигон. Причем в механизме нет жесткой зависимости от триангулярной архитектуры полигона или сложности полигональной сетки.

Определяющей подложкой, как правило, выступает растровое изображение, отображающее форму заполнения пустоты (например, на основе оцифрованного снимка места разрушения). При отсутствии подложки, вокселями заполняется пространство между несоприкасающимися полигонами или векторами, т.е. между полигонами соседних фрагментов разрушений или их осколков.

206

Для каждого случая заполнения вокселями пустот отдельно рассматривается сценарий, когда не удается достичь поверхности второго полигона. В качестве эффективного инструмента решения данной проблемы используется направляющий вектор нормали от проецируемой поверхности.

Рис. 3. Принцип построения трёхмерной модели с использованием

дуального метода

Блок-схема алгоритма построения воксельной поверхности на основе одного направляющего вектора представлена на рис. 4.

Рис. 4. Блок-схема алгоритма формирования воксельной поверхности на основе одного направляющего вектора

207

Принцип построения модели разрушенного фрагмента объекта, а также механизм взаимодействия двух автономных типов компьютерной графики при заполнении вокселями оставшихся пустот в общем виде представлен на рис. 5. Каждый крайний вектор ребра образует подложку и направление для основания построения воксельной поверхности. Подложкой выступает комплексное многослойное растровое изображение разрушений.

Рис. 5. Пример моделирования разрушений здания и его последующая обработка

Малые соседние воксели объединяются, образуя более крупные, обрабатываемые алгоритмом далее как один воксель. Особенность укрупнения (построения больших) вокселей, имеющих одинаковую подложку (основание) в схематичном представлении, отображена на рис.6.

Л

Рис. 6. Приближенная схема примера дуального моделирования

208

Блок-схема алгоритма формирования укрупненных (больших) вокселей на подложке одного цвета с использованием функционала теоретических инструментов октодерева представлена на рис. 7.

Рис. 7. Блок схема использования октодерева для построения воксельной поверхности

Для формирования формальной составляющей полученного механизма определим общий кортеж, описывающий графическую модель разрушения объектов сложной формы:

В =< C,f,X, G >,

где В - проектируемая модель разрушенного фрагмента, с - векторная модель каркасной части, / - воксельная модель детализации поверхности скола, х - определяемая степень свободы в системе координат, а Е (а^ о,- \ щ П о,- = 0) - элемент множества в пределах целого, определяющий минимальный элемент графической модели построения.

/ ti; -»[1,т], где п Е [1, оо), т Е [0,п],

т

где at - элемент множества положительно направленных векторов, ш - показатель целого, п - произвольный целый элемент.

209

где CLj - элемент множества отрицательно направленных векторов,

I - показатель целого, к - произвольный целый элемент. Причем:

'LcmJ = [ОД] ->Оо,

= [/] = lev -» ^

Л/1 = lev^ ап.

где lev - коэффициент, определяющий уровень детализации (с чертой - для вектора), lev = {lev^i е ЛГ!еи}.

Другими словами, один вектор порождает множество вокселей, кото -рые могут объединиться в более крупный, либо быть частью нескольких множеств параллельно. Причём возможное количество вокселей имеет чёткие границы (показатель целого). Нижнюю границу определяет величина вектора, верхнюю - точечная длина вектора или множество допустимых значений вектора-строки в используемом множестве - условие автономности.

Рассмотрим задачу использования метода на следующем примере: вследствие локального взрыва разрушилась стена двухэтажного здания промышленного предприятия (без обрушения стены). Предварительный анализ показал, что образовалось пять больших фрагментов. К аварийно -восстановительным работам привлечена внешняя (территориально удаленная) комиссия. Задание: необходимо провести анализ исходных данных, построить формулу моделирования процессов разрушенного объекта.

Проблемная составляющая: при композиции хаотичной составляющей смешанных осколков фрагмента последствий разрушений возможно мно-жество сценариев, например:

- несколько осколков разрушений определяют один фрагмент моде -лируемого здания;

- один осколок определяет несколько фрагментов;

- один осколок является осколком нескольких фрагментов и т.д.

Механизм решения задачи:

На первом этапе, используя представленный метод, проведем анало -гию с рис. 5 в ограничениях условия решаемой задачи (рис. 8). Особенностью данной задачи выступает фрагмент из осколков «1», «7», «8» и «9», пред -ставляющий не плоский монолит, а Т-образный осколок разрушенного здания. Следовательно, в описываемый ранее алгоритм необходимо внести еще одну переменную, учитывающую направление несущего для дальнейшего заполнения вектора, а формируемая воксельная модель пустот будет иметь разрыв.

Более сложный вариант модели может содержать крестообразный или другой формы осколок разрушенного фрагмента, тем не менее, практика показала, что введение одной дополнительной переменной достаточно.

210

■ 1 > (2 ) Г Л си

м> \2> / || Д

® Сколы здания

■■Д

M

Осколки разрушений

Фрагменты разрушений

2

3

8

Рис. 8. Пример моделирования разрушений в условиях задачи

Для рассматриваемой задачи алгоритм нахождения решения следующий (рис. 9):

1. В квадратных скобках суммируются действующие автономные компоненты. Например, [2 + 1 + 4] - осколки первого фрагмента, «2» и «1» на внутренних стенах и «4» на внешней, и [1 + 2] - осколки второго фрагмента, «1» на внутренней и «2» на внешней. Рассматривается правая система координат, следовательно, отрицательные значения не учитываются.

2. В правую часть выносится текущее значение целого (для данной задачи - «5», количество сколов здания). Под стрелкой указывается максимальное значение целого. Оно может совпадать или не совпадать с текущим показателем (для данного примера - «6», количество осколков образующих внешнюю стену).

3. В левой части индексами обозначаются элементы целого, входящие на текущий момент (или по результату действия) в текущее значение целого -текущие элементы целого. Например, «25».

I

[2 + 1 + 4] + [1 + 2] Автономы

4

[2 -Ь 1 + 4] -Ь [1 + 2] +> 5 1 Целое

[2 -С 4gJ + [1 + 25|у+5 Итог

Рис. 9. Алгоритм действия «внутрь от целого»

Применение данного алгоритма возможно для любого количества элементов (осколков, сколов и фрагментов). Используя представленный выше сценарий, получаем итоговое выражение:

211

Представленные алгоритмы можно визуально отобразить с использованием классической теории множеств (диаграммы Эйлера-Венна). При этом необходимо уточнение: атомарный элемент множества представлен также только в виде множества, причем каждый одновременно автономен и является частью другого автономного множества (рис. 10).

При этом необходимые для решения условия не выполняются:

- нельзя объединять разные элементы разных множеств;

- объединение элементов одного множества не равно объединению этих же элементов вызванных повторно.

Следовательно, классические методы работы с множествами для данных задач требуют введения дополнительных условий и элементов [5].

Рис. 10. Пример использования диаграммы Эйлера-Венна

В результате решение поставленной задачи свелось к одному из видов решеток - кольцо в пределах единого целого на множестве решений.

На следующем этапе выполнено моделирование объектов сложной формы с использованием принципов дуализма на автономных компонентах. Особенностью построения является вид прорисовки элементов воксельной графики, где описание каждого вокселя (в виде кубика) выполнено не вершинами, а гранями (рис. 11 ). При этом повторяющиеся и тыльные грани не прорисовываются (рис. 12).

Данный метод проектирования трехмерных примитивов на начальном этапе моделирования требует больше аппаратных ресурсов, чем вершинный и реберный методы. Тем не менее, при удалении из массива не прорисованных полигонов показатели значительно снижаются. Данная технология используется в таких графических редакторах, как 3D Studio MAX или Maya.

212

Рис. 11. Использование приграничного метода граней при построении воксельной фигуры

Алгоритм формирования воксельной модели разлома:

- в используемой системе координат центр «0,0,0» определяется зависимым по отношению к вершинам каждого вокселя (кубика);

- первый отображенный воксель становится базовым;

- каждый последующий прилегающий к граням базового воксель, прорисовывается не полностью, а только те его грани, которые не совпадают с предыдущим вокселем (рис. 11) и видимы по отношению к углу обзора (рис. 12);

- определяется матрица преобразования координат по отношению ко всей полученной модели, а не к каждому вокселю отдельно;

- преобразование модели (поворот, смещение и растяжение-сжатие) применяется к каждому вокселю, в том числе и укрупненному.

если а<90°, то грань отображается

/

м Вектора нормалей граней

Вектор нормали камеры

Рис. 12. Пример отсечения тыльных граней вокселей

213

В результате решение поставленной задачи свелось к группе в пределах единого целого, а получаемая воксельная модель на векторном полигоне -визуализация полученной решётки.

Заключение

Использование представленного механизма визуализации трехмерной модели сложной формы путем композиции двух независимых типов компьютерной графики позволяет более детально отображать объекты, такие как разрушения, сколы, осколки и т.п. Процесс использования дуального моделирования позволяет экономить используемые ресурсы за счет выделения необходимых диапазонов только для определенных задач. Особенностью данного механизма является статичность обработки начальных данных. Фактически, при динамическом изменении атрибутов (например, координат) действуют только механизмы последнего этапа. При этом каркас модели остается не изменяемым. Дополнительным эффектом также можно считать возможность полного разрушения модели с точностью до минимального элемента.

Литература

1. Рыженко, А.А. Распределенная система индивидуального оповещения в случае ЧС на крупных промышленных площадках / А.А. Рыженко, Р.Ш. Хабибулин // Труды Кольского научного центра РАН. Информационные технологии.

- Вып. 4. - 4/2013(17).- Апатиты: Изд-во КНЦ РАН. - 2013. - С.103-109.

2. Рыженко, А.А. Разработка графического компонента трёхмерной модели регионального промышленно-природного комплекса (на примере Хибинского горнорудного района) / А.С. Шемякин, А.А. Рыженко, С.Ю. Яковлев и др. // Труды Кольского научного центра РАН. Информационные технологии.

- Вып. 2. - 4/2012(7).- Апатиты: Изд-во КНЦ РАН, 2011. - С.156-163.

3. Рыженко, А.А. Способ моделирования разрушенных зданий при анализе материалов страхового фонда документации по чрезвычайным ситуациям [Электронный ресурс] / И.А. Максимов, Н.Г. Топольский, А.А. Рыженко // Интернет-журнал «Технологии техносферной безопасности». - Вып. 2(54). -2014. - Режим доступа: (http://ipb.mos.ru/ttb).

4. Рыженко, А.А. Дуальное моделирование обработки графических данных системы поддержки управления аварийно-восстановительными мероприятиями. Монография. / Н.Г. Топольский, И.А. Максимов, А.А. Рыженко. - М.: Академия ГпС МЧС России, 2014. - 149 с.

5. Рыженко, А.А. Использование метода трёхмерного моделирования разрушений / И.А. Максимов, Н.Г. Топольский, А.А. Рыженко и др. // Системы безопасности - 2013: материалы 22-й Международной научно-техн. конф. - М.: Академия ГПС МЧС России, 2013. - С.389-391.

Сведения об авторе

Рыженко Алексей Алексеевич - к.т.н., научный сотрудник е-mail: litloc@rambler.ru

Alexey A. Ryzhenko - Ph.D. (Tech. Sci.), senior researcher

214