Методи, моделі й структури обчислювачів для описання газодинамічних об'єктів та синтезу їх зображень у системах візуалізації

Размещено на http://www.allbest.ru/

Харківський національний університет радіоелектроніки

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

05.13.05 - комп'ютерні системи та компоненти

МЕТОДИ, МОДЕЛІ І СТРУКТУРИ ОБЧИСЛЮВАЧІВ

ДЛЯ ОПИСАННЯ ГАЗОДиНАМІЧНИХ ОБ'ЄКТІВ ТА СИНТЕЗУ ЇХ ЗОБРАЖЕНЬ У СИСТЕМАХ ВІЗУАЛІЗАЦІЇ

Сидоров Володимир Миколайович

Харків - 2009

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Харківському національному університеті радіоелектроніки Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник - кандидат технічних наук, доцент

Гусятін Володимир Михайлович,

Харківський національний університет радіоелектроніки,

професор кафедри електронних обчислювальних машин.

Офіційні опоненти:

-доктор технічних наук, професор Хаханов Володимир Іванович Харківський національний університет радіоелектроніки, декан факультету Комп'ютерної інженерії, професор кафедри автоматизації проектування обчислювальної техніки;

-доктор технічних наук, професор Дмитрієнко Валерій Дмитрович, Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", професор кафедри "Обчислювальної техніки та програмування".

Захист відбудеться «_24__»___червня___ 2009 р. о _15__ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.052.01 у Харківському національному університеті радіоелектроніки за адресою: 61166, м. Харків, пр. Леніна, 14.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Харківського національного університету радіоелектроніки за адресою: 61166, м. Харків, пр. Леніна, 14.

Автореферат розісланий «_21__»___травня___ 2009 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради С.Ф. Чалий

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Робота присвячена вдосконаленню існуючих і створенню нових апаратно-програмних засобів синтезу зображення в реальному часі, зокрема вдосконаленню і розробці систем візуалізації (СВ).

Роботи в області розробки наукових основ створення СВ мають для України велике значення: модернізація і створення нових СВ, де одним із напрямків є створення СВ тренажерів транспортних засобів (особливо авіаційних), дозволить підвищити якість підготовки операторів транспортних засобів, уникнути ризику при відпрацьовуванні позаштатних ситуацій, знизити витрати пального. Значний внесок в область комп'ютерної графіки та створення СВ внесли такі вчені, як: J.D. Foley, K. Akeley, М.В. Михайлюк, В.С. Бабенко, А.Я. Бєлєцький, А.Т. Іванченко, Е.А. Башков, Ю.А. Коба, С.А. Зорі, В.М. Гусятін та ін.

Вимоги до СВ реального часу містять у собі: високу частоту генерації зображення, малу затримку від моменту надходження керуючого впливу до адекватної зміни зображення, високу реалістичність синтезованого зображення, можливість відображати сцену великого обсягу й детальності. При будь-якому рівні розвитку універсальної техніки наявність апаратного прискорення (на відміну від чисто програмної реалізації) дозволяє більш повно задовольнити цим вимогам. Для цього необхідно створення обчислювачів, орієнтованих на рішення конкретного завдання формування зображення.

Важливим завданням СВ є візуалізація природних явищ, що протікають у газодинамічних середовищах. Вимоги до СВ для формування зображень газодинамічних об'єктів (ГДО) містять у собі високу реалістичність і чітке дотримання фізичних процесів, що протікають у газодинамічних об'єктах. Сполучення цих вимог потребує вирішення ряду наукових завдань.

Формування зображення у СВ може здійснюватися двома методами: прямого й зворотного трасування. Метод прямого трасування добре пророблений, однак єдиним типом графічних примітивів, які можуть відображатися з його використанням, є багатокутники, що призводить до низької реалістичності зображення.

Зворотне трасування дає набагато більший ступінь реалістичності, тому що поряд з багатокутниками як графічні примітиви можуть бути використані криволінійні поверхні. Однак більшість існуючих реалізацій алгоритмів, що працюють по цьому методу, мають низьку продуктивність і не працюють в реальному часі. Таким чином, створення й удосконалення моделей і методів, орієнтованих на зворотне трасування, для розробки обчислювача формування зображень ГДО у СВ реального часу є актуальним науковим завданням.

Крім того, візуалізація ГДО, адекватна фізичним процесам, що протікають усередині нього, неможлива без побудови системи опису поводження ГДО. На сьогоднішній день візуалізація газодинамічних об'єктів у СВ відбувається шляхом візуальної імітації процесів, що протікають у газодинамічному середовищі за допомогою таких засобів комп'ютерної графіки як системи часток, текстурування, карти прозорості та інше. Такий підхід не дозволяє забезпечити чітку фізичну інтерпретацію поводження газодинамічних об'єктів, а отже, не дає можливість одержання реалістичних зображень при візуалізації газодинамічних об'єктів. Виходячи із цього, розробка й побудова обчислювача описання газодинамічних об'єктів в реальному часі є актуальним науковим завданням.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Дисертаційна робота виконана відповідно до плану науково-дослідних робіт Харківського національного університету радіелектроніки, зокрема за напрямком державної бюджетної теми № 179-1 «Дослідження і розробка методів, структурних і архітектурних принципів, апаратних і програмних засобів швидких цифрових перетворень зображень» (ДР №0104U004074). В межах зазначеної теми здобувачем як виконавцем були адаптовані до систем візуалізації реального часу методи описання газодинамічних об'єктів, а також розроблені методи синтезу зображення газодинамічних об'єктів для систем візуалізації реального часу.

Мета і задачі дослідження. Метою дослідження в дисертаційній роботі є розробка методів, моделей і структур обчислювачів для описання газодинамічних об'єктів та синтезу їх зображень у системах візуалізації для забезпечення обчислень в реальному часі.

Для досягнення мети необхідно вирішити такі завдання:

Вибрати, дослідити й адаптувати до вимог систем візуалізації реального часу метод «великих часток» для описання газодинамічних об'єктів.

Розробити методи синтезу зображення газодинамічних об'єктів у системах візуалізації на основі фізичних процесів, що протікають у ньому.

Розробити метод обробки інформації в обчислювачі, що реалізує описання газодинамічних об'єктів в режимі реального часу.

Провести математичне моделювання газодинамічних об'єктів, спираючись на обраний метод описання газодинамічних об'єктів, та провести математичне моделювання процесу синтезу зображення газодинамічних об'єктів.

Розробити структурні й функціональні схеми обчислювача описання газодинамічних об'єктів і обчислювача формування даних для візуалізації, провести імітаційне моделювання найбільш важливих блоків обчислювача описання газодинамічних об'єктів.

Об'єктом дослідження є описання газодинамічних об'єктів та процеси синтезу їх зображень у системах візуалізації реального часу.

Предметом дослідження є розробка методів, моделей і структур обчислювачів для описання газодинамічних об'єктів та синтезу їх зображень у системах візуалізації.

Методи дослідження. При проведенні досліджень застосовувалися кінцево-різницеві методи рішення системи диференціальних рівнянь у частинних похідних, зокрема метод «великих часток» при описанні газодинамічних об'єктів; методи фізики світла, методи аналітичної геометрії, лінійної алгебри у процесі синтезу зображення газодинамічних об'єктів. Застосовувалися методи аналізу й синтезу при розробці обчислювальних пристроїв. Для перевірки працездатності розроблених алгоритмів, а також для з'ясування їхніх характеристик були використані методи математичного моделювання. Для перевірки працездатності окремих блоків обчислювачів застосовувалися методи імітаційного моделювання.

Наукова новизна результатів дисертаційної роботи. При вирішенні поставлених задач автором було отримано такі наукові результати:

1. Вперше розроблені методи синтезу зображення газодинамічних об'єктів у системах візуалізації реального часу на основі корпускулярної та хвильової теорії світла, які характеризуються послідовним ітераційним розрахунком шляху розповсюдження світлового променя на основі залежності швидкості світла від густини газодинамічних об'єктів та орієнтації у просторі фронту світлової хвилі, що дозволяє підвищити реалістичність одержуваних зображень у цифрових системах візуалізації реального часу.

2. Вперше розроблено метод обробки інформації в обчислювачі описання газодинамічних об'єктів в режимі реального часу, який характеризується паралельним обчисленням усіх трьох етапів методу «великих часток» після виконання розрахунків на першій ітерації завдяки розробленій послідовності обходу осередків розрахункової сітки, що дозволяє підвищити ефективність обчислень на основі мінімізації простоїв конвеєра та дає можливість використовувати обчислювач у системах візуалізації реального часу.

3. Набув подальшого розвитку метод «великих часток» для описання газодинамічних об'єктів у частині його адаптації до вимог систем візуалізації реального часу, що на відміну від існуючих враховує уточнений критерій стійкості та має додатковий етап вибору типів розрахункових сіток, які описують газодинамічні об'єкти, що дозволяє підвищити реалістичність зображень при використанні обчислювача описання газодинамічних об'єктів для цифрових систем візуалізації, орієнтованих на метод зворотного трасування.

Практичне значення одержаних результатів дисертаційної роботи. У результаті дисертаційного дослідження розроблені методи синтезу зображення газодинамічних об'єктів у системах візуалізації на основі корпускулярної та хвильової теорії світла та адаптований до систем візуалізації реального часу метод «великих часток» як метод описання газодинамічних об'єктів для систем візуалізації реального часу. На основі розроблених методів отримано моделі і структури обчислювача описання газодинамічних об'єктів та обчислювача формування даних для візуалізації, які можуть бути використані в системах візуалізації реального часу. Наукові результати, отримані під час виконання дисертаційної роботи, було використано в ході робіт із проектування й впровадження АСУ ТП нагрівальної печі №20 КПЦ 2 ЗАТ НКМЗ (довідка про впровадження від 15.09.07) та при розробці літакового сканера 3-DAS-1 на державному науково-виробничому підприємстві «Геосистема» (довідка про впровадження від 21.02.08).

Особистий внесок здобувача. Особистий внесок здобувача в роботах, виконаних у співавторстві, полягає у тому, що: у роботі [1] обгрунтовано вибір параметрів описання газодинамічних об'єктів метода «великих часток» у задачах синтезу зображень для систем візуалізації реального часу; у роботі [2] розглянута математична модель описання газодинамічних середовищ на основі методу «великих часток» в системах візуалізації реального часу та проведена її адаптація до систем візуалізації реального часу; у роботі [3] запропоновано метод синтезу зображення газодинамічних об'єктів у системах візуалізації на основі хвильової теорії світла; у роботі [4] запропоновано метод синтезу зображення газодинамічних об'єктів у системах візуалізації на основі корпускулярної теорії світла; у роботі [5] запропоновано для систем візуалізації реального часу описання m- компонентних газодинамічних об'єктів спираючись на метод «великих часток»; у роботі [6] запропоновано метод обробки інформації в обчислювачі описання газодинамічних об'єктів, пристосований для використання в системах візуалізації реального часу; у роботі [7] приведено обґрунтування вибору методу «великих часток» як методу розрахунку процесів, що протікають у газодинамічних об'єктах, з метою наступної їх візуалізації і проведено його описання; у роботі [8] розглянуто метод «великих часток» як метод описання газодинамічних об'єктів у системах візуалізації реального часу та визначені галузі його використання у виробництві.

Апробація результатів дисертації. Результати досліджень оприлюднені на VII міжнародній науково-технічній конференції «Авіа-2006», Київ 2006 р., IV міжнародній науково-практичній конференції «Інтелект молодих - виробництву 2005», Краматорськ, НКМЗ, 2005 р. і на VІ Міжнародній науково-технічній конференції «Проблеми інформатики і моделювання», Харків, ХПУ, 2006 р..

Публікації. За темою дисертації видано 8 робіт: 6 статей в наукових збірниках, що входять до переліку ВАК України, 2 матеріали конференцій.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних джерел зі 101 найменування на 9 сторінках, 43 рисунків, 6 таблиць та додатка на 24 сторінках. Загальний обсяг роботи - 149 сторінок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі стисло розглянуто стан досліджень в галузі систем комп'ютерної графіки, обґрунтовано актуальність теми дисертації, сформульовані мета і задачі дисертаційної роботи, наведено наукові результати, що виносяться на захист, наукова новизна і практична цінність отриманих результатів.

Перший розділ є критичним оглядом сучасних методів формування зображень тривимірної сцени. Значна увага приділяється методам моделювання і візуалізації газодинамічних об'єктів. Наведені існуючі методи описання газодинамічних об'єктів та обґрунтовано вибір методу «великих часток» як методу описання газодинамічних об'єктів в системах візуалізації реального часу.

На основі проведеного аналізу сформульовані мета і задачі дослідження, що полягають у адаптації метода «великих часток» для систем візуалізації реального часу та розробці структурних і функціональних схем обчислювача описання газодинамічних об'єктів і обчислювача формування даних для візуалізації. На основі описання газодинамічного об'єкта розробити методи визначення шляху проходження променя світла у газодинамічному об'єкті, що можуть використовуватися при розробці СВ реального часу.

У другому розділі набув подальшого розвитку метод «великих часток» для описання газодинамічних об'єктів у частині його адаптації до вимог систем візуалізації реального часу як для однокомпонентного газодинамічного об'єкту (ГДО) [2,7,8], так и для m- компонентного [5].

Основна ідея методу полягає в розщепленні по фізичних процесах вихідної нестаціонарної системи рівнянь Ейлера, записаної у формі законів збереження. Середовище моделюється системою з рідких (великих) часток, що збігаються в цей момент часу з осередками ейлеревої сітки. Тому що поводження газодинамічного об'єкта змінюється в часі, процес обчислень, що описує газодинамічний об'єкт, складається з багаторазового повторення кроків за часом.

В основі розрахунку використовується модель ідеального газу. Для спрощення викладу розрахунків будемо розглядати двовимірний випадок (плаский випадок), що шляхом додавання ще однієї просторової змінної перетвориться в тривимірний. У якості вихідних візьмемо диференціальні рівняння Ейлера (рівняння нерозривності, імпульсу, енергії):



де W - це сукупний вектор швидкостей по проекціях осей координатної сітки.

Розрахунок кожного кроку (обчислювального циклу) у свою чергу розбивається на три етапи:

1. Ейлеров етап. На цьому етапі розподіл щільності по осередку координатної сітки вважається незмінним (потоку маси через межу осередку немає), і враховуються ефекти прискорення газу лише за рахунок тиску. Під час обчислень для великої частки визначаються проміжні значення шуканих параметрів потоку (розглянутий двовимірний випадок, u і v - швидкості по відповідних осях, Е - енергія осередку).

2. Лагранжев етап. На цьому етапі визначаються потоки маси через межі ейлерових осередків за рахунок переміщення газу усередині осередку координатної сітки, що описує газодинамічний об'єкт.

3. Заключний етап - визначаються в новий момент часу остаточні значення газодинамічних параметрів потоку (розглянутий двовимірний випадок, u і v - проекції швидкості газодинамічного потоку на відповідні осі, Е - енергія речовини, що перебуває в осередку координатної сітки, - густина речовини, що перебуває в координатному осередку) на основі законів збереження маси, імпульсу й енергії для кожного осередку й всієї системи в цілому на фіксованій розрахунковій сітці.

У роботі наведено параметри і обґрунтування вибору розрахункових сіток, якими можливо описати газодинамічний об'єкт, в залежності від типу газодинамічного об'єкту та визначені найкращі галузі використання розглянутих сіток [1]. Зокрема розглянуті прямокутні рівномірні та нерівномірні розрахункові сітки, а також циліндричні розрахункові сітки. Для кожного типу розрахункових сіток визначені газодинамічні об'єкти для яких доцільно використовувати ці сітки. Крім того, розглянуті питання що до використання дробових осередків розрахункової сітки при описанні газодинамічного об'єкту, а також питання обтікання газом об'єктів довільної конфігурації. При виконанні обчислень згідно методу «великих часток» використовується уточнений для систем візуалізації реального часу критерій стійкості.

У третьому розділі вперше розроблені методи синтезу зображення газодинамічних об'єктів у системах візуалізації реального часу на основі корпускулярної [4] та хвильової [3] теорії світла.

Тому що для визначення просторового положення кривої, що описує шлях проходження світла в ГДО, необхідно виконати інтегрування уздовж цієї кривої, то обидва методи являють собою ітераційні алгоритми. Для спрощення процесу інтегрування шлях проходження світла в ГДО розглядається ламаною, для вузлів якої необхідно визначати коефіцієнт переломлення світла.

Запропонований метод синтезу зображення газодинамічних об'єктів у системах візуалізації на основі корпускулярної теорії світла [4] складається з наступних етапів:

1. Знаходиться множина шляхів розповсюдження світла від крапки входу світлового променя в газодинамічний об'єкт до першої площини, перпендикулярної прямому шляху розповсюдження світла.

2. Для кожного вузла наступної площини знаходиться множина шляхів розповсюдження світла від крапки входу через усі вузли попередньої площини та із цієї множини обирається шлях, який має найменший час проходження світла. Цей етап повторюється до моменту виходу світла з газодинамічного об'єкту.

3. Із множини шляхів розповсюдження світла від крапки входу до вузлів останньої площини обирається шлях, який має найменший час розповсюдження світла. Цей шлях і є шуканим.

Уведена права "земна" g-система координат (с/к) x,y,z, пов'язана зі спостерігачем v-система координат u,v,w, початок якої розміщений в центрі ваги транспортного засобу (літака, машини й т.д.) і ГДО, його положення визначене в с/к x'y'z', центр якої O₁ сполучений з центром одного з підстав ГДО й заданий щодо g-системи координатами X₁Y₁Z₁. Екран (площина проекції) розташований перпендикулярно осі u так, що його центр O_э в v-системі в загальному випадку має координати (U_э+U_h), V_э, W_э. Показано вектор спостереження , що йде від крапки спостереження h до центра поточного піксела екрана.

Для зменшення об'єму обчислень, необхідно визначити область, усередині якої може відхилятися промінь. Ця область обмежена конусом з вершиною в крапці Р₁ і бічною поверхнею конуса, що характеризується максимальним кутом відхилення проекційного променя в від прямолінійного поширення.

,

де - найменший показник переломлення речовини, що утворює ГДО,

- найбільший показник переломлення речовини, що утворює ГДО,

- час, за який світло пройде шлях Р₁Р₂ при швидкості, що відповідає найбільшому в рамках об'єкта показнику переломлення.

Для створення ітераційної структури алгоритму вузли рівномірно розташовуємо на перетинах конуса площинами, перпендикулярними осі конуса Р₁Р₂ і віддаленими від крапки Р₁ і друг від друга на відстані h. У результаті цієї розбивки одержуємо множини А¹, А² … Аⁿ , що описують сукупність вузлів на кожному з перетинів конуса, усередині якого проводиться аналіз. Позначимо вузли аналізу: Аⁱ={aⁱ₁, aⁱ₂ … aⁱ_m}.

1 етап. На першому кроці алгоритму беремо множину вузлів А¹ і визначаємо час поширення світла від крапки Р₁ до кожного з вузлів цієї множини. Одержуємо множину ф¹={ ф₁¹, ф_21... …ф_q¹…ф₅¹}.

,

де - час поширення світла між відповідними вузлами перетинів.

Загальний час поширення світла від крапки P₁ до відповідних крапок першого перетину становить множину Т¹={T₁¹, T₂¹ … T₅¹}, Для першого шару ця множина збігається із множиною t¹.

2 етап. На другому етапі беремо множину вузлів А²={a₁², a₂² … a_k² … a_m²} і визначаємо для кожного з вузлів цієї множини час поширення світла від крапок А¹={a¹₁, a¹₂, a¹₃, a¹₄, a¹₅} до всіх крапок множини А².

3 етап. Провівши обчислення, наведені на 2 етапі методу, для кожного k-го вузла множини А² одержуємо множину ?_k²={Т₁², Т₂² … Т_q² … Т₅²}, що характеризує множину можливих шляхів поширення світла від крапки P₁ до k-го вузла множини А². Маємо:

або ,

де - відстань між відповідними вузлами поточного й попереднього шару,

- найкоротший час поширення світла від крапки Р₁ до вузла ,

- коефіцієнт переломлення світла в ГДО, що відповідає шляху між вузлами й .

Потім шукаємо мінімум у кожній з отриманих множин ?_k². Шлях, що відповідає мінімальній величині T_q² для k-го вузла фіксуємо як шлях проходження світла від крапки Р₁ до вузла a²_k..

.

У підсумку одержуємо мінімальний шлях поширення світла від крапки P₁ до k-го вузла множини А². Таким чином, визначаємо найменший за часом шлях поширення світла від крапки Р₁ до кожного з вузлів множини А².У підсумку одержуємо множину Т²={T₁², T₂² … T_m²}. Обчислення, описані на етапах 2,3 проводимо для всіх множин А_i, що залишилися. Останнім кроком алгоритму є аналіз шляхів поширення світла від крапки Р₁ до вузлів множини Аⁿ і знаходження шляху, час поширення для якого найменше. Шлях, що відповідає мінімальному часу поширення світла в ГДО, і буде шуканим.

Запропонований метод синтезу зображення газодинамічних об'єктів у системах візуалізації на основі хвильової теорії світла [3] складається з наступних етапів:

1. Знаходимо змінення орієнтації світлової хвилі при проходженні світла від крапки виходу світлового променя з газодинамічного об'єкту до кінця першого ітераційного відрізку.

2. В кінці першого ітераційного відрізку знаходимо орієнтацію системи координат, пов'язаної з цим відрізком.

3. Знаходимо матрицю повороту системи координат, пов'язаної з ітераційним відрізком, відносно системи координат газодинамічного об'єкту.

4. В системі координат, пов'язаною з ітераційним відрізком, будуємо наступний ітераційний відрізок і для нього вже знаходимо змінення орієнтації світлової хвилі. Наведені етапи методу повторюються до місця входу світла в газодинамічний об'єкт.

Розглянемо двовимірну інтерпретацію методу. Світловий потік, що відповідає одному пікселу зображення складається із множини променів, розташованих між променями й . На вході в ГДО цим променям відповідають промені й, . Для обчислень на ЕОМ інтегрування уздовж цієї кривої заміняється підсумовуванням уздовж ламаної Р1В1В3В4Р3.

Початком обчислень відповідно до запропонованого методу є момент, коли промінь перетинається з ГДО. Крапка цього перетинання Р1. У цей час фронт поширення променя перебуває в крапці А. Відрізок Р1А перпендикулярний променям і тому що до влучення в ГДО середовище, у якому поширюється світло, вважається ізотропною.

Будуємо систему координат хР1у, причому вісь х збігається з напрямком променя , а крапка Р1 є початком даної системи координат. Визначаємо матрицю повороту для перетворення координат із системи координат хР1y у систему координат ГДО. Через певний проміжок часу промінь проходить відрізок прямої Р1В1.

Довжина відрізка Р1В1 визначається по наступній формулі.

,

де - довжина відрізка Р1В1,

- коефіцієнт переломлення, що відповідає щільності ГДО в крапці Р1,

- швидкість світла у вакуумі.

За цей же час промінь проходить відстань АС.

, ,

де - довжина відрізка АС,

- коефіцієнт переломлення, що відповідає щільності ГДО в крапці А.

Для продовження обчислень необхідно визначити орієнтацію й місце розташування координатної системи х1В1у1 щодо системи хР1у. Для цього необхідно визначити кут б.

,

де - крок однієї ітерації алгоритму,

- ширина світлового потоку.

Зсув координатної системи х1В1у1 щодо системи хР1у дорівнює довжині відрізка Р1В1. Таким чином, ми визначили зміну фронту хвилі на відрізку Р1В1. На закінчення ітерації визначається зсув системи координат х1В1у1 і її орієнтація, тобто матриця повороту щодо системи координат, пов'язаної з ГДО. обчислювач газодинамічний синтез візуалізація

На цьому ітерація алгоритму закінчується. На наступній ітерації розраховується поширення світла від крапки В1. Розрахунок відповідно до методу закінчується, коли фронт хвилі виходить із газодинамічного об'єкту.

В четвертому розділі вперше розроблено метод обробки інформації в обчислювачі описання газодинамічних об'єктів в режимі реального часу та проведено математичне моделювання ГДО.

Запропонований метод обробки інформації в обчислювачі описання газодинамічних об'єктів складається з наступних етапів:

1. Формується послідовність осередків розрахункової сітки для яких будуть проводитися обчислення згідно з методом «великих часток».

2. Залежно від об'єму обчислень на кожному з трьох етапів методу «великих часток» визначається кількість процесорних блоків, які використовуються для обчислень на кожному з етапів методу.

3. Аналітично розраховуються затримки запуску кожного з етапів методу «великих часток» відносно попереднього етапу.

Використання описаного методу обробки інформації в обчислювачі описання газодинамічних об'єктів дозволяє паралельно проводити обчислення на усіх трьох етапах методу «великих часток» після виконання першої ітерації методу. Використання розробленого порядку обходження осередків дозволяє значно покращити продуктивність обчислювача описання ГДО і повно використовувати переваги, які надає паралельно конвеєрна архітектура.

При цьому загальне число тактів обчислювача описання газодинамічних об'єктів, яке необхідно для обчислення газодинамічного поля дорівнює:

,

де , - параметри розрахункової сітки,

- кількість тактів з початку обчислень другого етапу відносно першого і третього етапу відносно другого.

При цьому затримка початку обчислень визначається за формулою:

,

де - затримка початку обчислень,

- розмірність розрахункової сітки,

- кількість осередків розрахункової сітки, які розраховуються за один цикл обчислень,

- кількість тактів обчислювача, які складають один цикл обчислень.

У процесі виконання роботи правомірність і правильність всіх запропонованих у роботі методів і алгоритмів перевірялася шляхом математичного моделювання. Моделювання проводилося по наступним напрямкам: математичне моделювання різних ГДО, описаних за допомогою методу «великих часток»; математичне моделювання шляху проходження світла в ГДО на основі корпускулярної й хвильової природи світла.

Перевірка опису ГДО проводилася шляхом порівняння результатів математичного моделювання, отриманих з використанням розробленого в рамках дисертаційної роботи прикладного ПО, з результатами, які представлені на сайті фірми виробника прикладного програмного пакета моделювання газодинамічних процесів Flowvision фірми Тесіс. У ході порівняння результатів моделювання була виявлена ідентичність картин плинів, отриманих у результаті моделювання з використанням описаного ПО. У процесі моделювання отримана залежність швидкості розрахунків від продуктивності центрального процесора, а також оперативної пам'яті й ефективності підсистеми обміну даними між оперативною пам'яттю й центральним процесором.

Виконано математичне моделювання синтезу зображення ГДО, спираючись на корпускулярну і хвильову природу світла. Моделювання проводилося для ГДО, представлених прямокутною і циліндричною координатними сітками. У результаті проведеного моделювання виявлена вірність інтерпретації фізичних процесів, що протікають при проходженні світла через ГДО.

П'ятий розділ присвячений розробці структурних і функціональних схем обчислювача формування даних для візуалізації та обчислювача описання газодинамічних об'єктів [6]. При цьому були розглянуті питання стосовно визначення кількості процесорних модулів (PU) для кожного з етапів методу «великих часток» для описання газодинамічних об'єктів. Гнучке визначення кількості процесорних модулів для кожного етапу дозволяє виконувати в обчислювачі описання газодинамічних об'єктів розрахунки для широкого кола ГДО. З метою уникнення простоїв конвеєра при виконанні процесу розрахунків згідно методу «великих часток» визначені затримки запуску розрахунків другого і третього етапів методу «великих часток». Запропоновано наступну структуру обчислювача описання газодинамічних об'єктів.

Основними елементами обчислювача є блоки обчислення параметрів газодинамічного поля на першому, другому й третьому етапах методу «великих часток». З метою опису широкого класу ГДО блоки обчислювачів для етапів методу «великих часток» реалізовані у вигляді процесорів з певним набором команд, що покривають математичні й логічні дії, які є в методі «великих часток». При описі різних ГДО час обчислення окремого етапу методу «великих часток» є різним для них. Тому, для реалізації описаної в роботі послідовності обчислень при обході осередків розрахункової сітки, що описує ГДО, потрібне створення паралельно конвеєрної структури з різною для різних ГДО кількістю обчислювачів на кожному з етапів методу «великих часток».

Для того, щоб реалізувати необхідну паралельну інфраструктуру потрібна уніфікація PU у розрізі виконання послідовності дій для будь-якого етапу методу «великих часток». У зв'язку із цим обчислювач описання газодинамічних об'єктів являє собою матрицю PU, які на етапі ініціалізації розподіляються для обчислень етапів методу «великих часток» відповідно до приведених у роботі правил. Застосування запропонованого обчислювача описання газодинамічних об'єктів дозволяє отримати описання газодинамічних об'єктів з ефективністю, необхідною для систем візуалізації реального часу, а отже він може бути використаний в системах візуалізації реального часу. Без застосування обчислювача описання газодинамічних об'єктів отримати описання газодинамічних об'єктів в реальному часі можливо лише при використанні надпотужних обчислювальних систем, що дуже збільшує кошти, витрачені на систему візуалізації. Для полегшення процесу подальшої візуалізації в роботі запропоновано обчислювач формування даних для візуалізації, завданням якого є структурування даних, розрахованих обчислювачем описання газодинамічних об'єктів у вигляд, прийнятний для систем візуалізації.

Для перевірки працездатності розроблених у рамках дисертаційної роботи функціональних та структурних схем обчислювачів було проведено імітаційне моделювання окремих блоків обчислювача описання газодинамічних об'єктів. Моделювання проводилося з використанням САПР Quartus II на мові VHDL. При моделюванні було використано ПЛІС EP20K1500EBC625-3 з Apex20K. Аналізуючи результати імітаційного моделювання можно зробити висновок про коректність і працездатність розроблених структурних схем обчислювачів.

У додатках наведено результати математичного та імітаційного моделювання, документи впровадження.

ВИСНОВКИ

Дисертаційна робота є закінченим науковим дослідженням, присвяченим вирішенню актуальної науково-технічної проблеми описання газодинамічних об'єктів та синтезу їх зображень у системах візуалізації реального часу. На основі виконаних теоретичних і експериментальних досліджень отримані наступні наукові результати:

Виконано аналіз існуючих методів описання газодинамічних об'єктів та обрано метод «великих часток» для описання газодинамічних об'єктів у системах візуалізації реального часу. Перевагою даного методу є те, що він дозволяє проводити описання широкого класу газодинамічних об'єктів по єдиному алгоритму, що дозволяє використовувати його при побудові обчислювача описання газодинамічних об'єктів.

Вперше розроблені методи синтезу зображення газодинамічних об'єктів у системах візуалізації на основі корпускулярної та хвильової теорії світла. Метод синтезу зображення газодинамічних об'єктів у системах візуалізації на основі корпускулярної теорії світла полягає в тому, що на кожному етапі методу знаходиться множина усіх можливих шляхів проходження світла від місця входу променя світла в газодинамічний об'єкт до площин, перпендикулярних прямому шляху розповсюдження світла. Шлях до площини на останньому етапі методу, який має найменший час розповсюдження світла є шуканим. Метод синтезу зображення газодинамічних об'єктів у системах візуалізації на основі хвильової теорії світла полягає в ітераційному знаходженню на кожному з етапів метода напрямку поширення фронту світлової хвилі від місця входу променя світла в газодинамічний об'єкт до виходу променя світла з об'єкту. Проведено математичне моделювання процесу синтезу зображення газодинамічних об'єктів розробленими методами, яке підтвердило вірність методів. Використання запропонованих методів синтезу зображення газодинамічних об'єктів у системах візуалізації дозволяє підвищити реалістичність одержуваних зображень у цифрових системах візуалізації реального часу.

Вперше розроблено метод обробки інформації в обчислювачі описання газодинамічних об'єктів в режимі реального часу. Метод полягає в отриманні послідовності обходу осередків розрахункової сітки, яка описує газодинамічний об'єкт, що дозволяє проводити після завершення першої ітерації методу «великих часток» розрахунки в обчислювачі описання газодинамічних об'єктів на всіх трьох етапах методу паралельно. Крім того, аналітичним шляхом визначено параметри, необхідні для ініціалізації обчислювача описання газодинамічних об'єктів, що дає можливість мінімізувати простої конвеєра в процесі обчислень відповідно до методу «великих часток». Все це дозволяє проводити описання газодинамічних об'єктів із ефективністю, достатньою для систем візуалізації реального часу.

Набув подальшого розвитку метод «великих часток» для описання газодинамічних об'єктів у частині його адаптації до вимог систем візуалізації реального часу. Зокрема було уточнено критерій стійкості методу, що дозволяє підвищити стійкість процесу розрахунків відповідно до методу особливо при використанні дробових осередків розрахункової сітки, що описує газодинамічний об'єкт. Проведено аналіз та запропоновано для використання типи розрахункових сіток відповідно до природи газодинамічних об'єктів, які вони описують. Проведено математичне моделювання газодинамічних об'єктів, спираючись на обраний метод. Метод «великих часток» для описання газодинамічних об'єктів характеризується тим, що дозволяє отримати параметри газодинамічних об'єктів в будь якому осередку розрахункової сітки в реальному часі й, спираючись на ці дані, проводити візуалізацію газодинамічних об'єктів з високою реалістичністю у цифрових системах візуалізації, орієнтованих на метод зворотного трасування.

Розроблено структурні й функціональні схеми обчислювача описання газодинамічних об'єктів і обчислювача формування даних для візуалізації в режимі реального часу з використанням паралельно-конвеєрного принципу і використанням розробленого методу обробки інформації в обчислювачі описання газодинамічних об'єктів, що дозволяє проводити обчислення з ефективністю, достатньою для систем візуалізації реального часу. Проведено імітаційне моделювання найбільш важливих блоків обчислювача описання газодинамічних об'єктів.

Практичне значення підтверджується впровадженням результатів дисертаційної роботи в ході робіт із проектування й впровадження АСУ ТП нагрівальної печі №20 КПЦ 2 ЗАТ НКМЗ (довідка про впровадження від 15.09.07). Також наукові результати було використано при розробці літакового сканера 3-DAS-1 на державному науково-виробничому підприємстві «Геосистема» (довідка про впровадження від 21.02.08).

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Сидоров В.Н. Выбор параметров модели описания газодинамических объектов в задачах синтеза изображения для систем визуализации / Сидоров В.Н., Гусятин В.М. // Радіоелектроніка та інформатика. - 2005. - № 4. - С. 69-71.

Сидоров В.Н. Математическая модель описания газодинамических сред в системах визуализации реального времени / Сидоров В.Н., Гусятин В.М. // Авиационно-космическая техника и технология. - 2005. - № 3 (19). - С. 43-49.

Сидоров В.Н. Определение пути следования луча света в газодинамическом объекте с целью синтеза его изображения (волновая теория света) / Сидоров В.Н., Гусятин В.М. // Радіоелектронні і комп'ютерні системи. - 2006. - № 2 (14). - С. 31-34.

Сидоров В.Н. К вопросу о синтезе изображений газодинамических объектов в системах визуализации (корпускулярная теория света) / Сидоров В.Н., Гусятин В.М. // Радіоелектронні і комп'ютерні системи. - 2006. - № 1(13). - С. 56-60.

Сидоров В.Н. Описание и моделирование m-компонентных газодинамических объектов в системах визуализации / Сидоров В.Н., Гусятин В.М. // Вісник Національного технічного університету “Харківський політехнічний інститут”. Збірник наукових праць. Тематичний випуск: Інформатика і моделювання. - 2006. - № 23. - С. 29-34.

Сидоров В.Н. Организация конвейерных вычислений в задачах описания газодинамических объектов / Сидоров В.Н., Гусятин В.М. // Вісник Національного технічного університету “Харківський політехнічний інститут”. Збірник наукових праць. Тематичний випуск: Інформатика і моделювання. - 2006. - № 40. - С. 44-48.

Сидоров В.Н. Выбор и описание метода расчета процессов, протекающих в газодинамических объектах, с целью последующей их визуализации / Сидоров В.Н., Гусятин В.М. // Авиа-2006: седьмая международная научно-техническая конф. 25-27 сентября 2006 г.: - Киев, 2006. - Т. 1. - С. 13.109-13.113.

Сидоров В.Н. Математическая, программная и аппаратная реализации модели расчета в реальном времени состояния газодинамического объекта и сферы ее применения / Сидоров В.Н. // Интеллект молодых - производству 2005: четвертая Международная научно-практическая конференция молодых ученых и специалистов. 15-16 ноября 2005 г.: тезисы докл. - Краматорск, 2005, - С. 149-150.

АНОТАЦІЯ

Сидоров Володимир Миколайович. Методи, моделі й структури обчислювачів для описання газодинамічних об'єктів та синтезу їх зображень у системах візуалізації. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.13.05 - комп'ютерні системи та компоненти. - Харківський національний університет радіоелектроніки, Харків, 2009.

Дисертація присвячена питанням формування зображення газодинамічних об'єктів у системах візуалізації реального часу, адаптації до систем візуалізації реального часу методів опису газодинамічних об'єктів, розробці обчислювача описання газодинамічних об'єктів та обчислювача формування даних для візуалізації. У роботі вперше розроблені методи синтезу зображення газодинамічних об'єктів у системах візуалізації реального часу на основі корпускулярної та хвильової теорії світла та вперше розроблено метод обробки інформації в обчислювачі описання газодинамічних об'єктів в режимі реального часу. Крім того, набув подальшого розвитку метод «великих часток» для описання газодинамічних об'єктів у частині його адаптації до вимог систем візуалізації реального часу.

Результати досліджень були використані при побудові АСУ ТП нагрівальної печі №20 КПЦ 2 ЗАТ НКМЗ, м. Краматорськ. Також наукові результати було використано при розробці літакового сканера 3-DAS-1 на державному науково-виробничому підприємстві «Геосистема».

Ключові слова: газодинамічний об'єкт, реальний час, зворотне трасування, система візуалізації, обчислювач, метод «великих часток», корпускулярна теорія світла, хвильова теорія світла.

АННОТАЦИЯ

Сидоров Владимир Николаевич. Методы, модели и структуры вычислителей для описания газодинамических объектов и синтеза их изображений в системах визуализации. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.13.05 - компьютерные системы и компоненты. - Харьковский национальный университет радиоэлектроники, Харьков, 2009.

Диссертация посвящена вопросам формирования изображения газодинамических объектов в системах визуализации реального времени, адаптации к системам визуализации реального времени методов описания газодинамических объектов, разработке спецпроцессора описания газодинамических объектов и спецпроцессора формирования данных для визуализации.

В результате проведенного анализа был сделан вывод о целесообразности использования метода обратного трассирования при синтезе изображения газодинамических объектов в трехмерной сцене. Данный метод позволяет достичь высокой реалистичности синтезированного изображения. В результате проведенного анализа для описания газодинамических объектов выбран конечно-разностный метод описания газодинамических объектов под названием метод «крупных частиц». Данный метод позволяет получать описание газодинамических объектов, опираясь на физические процессы, протекающие в них, что повышает реалистичность последующей визуализации газодинамических объектов.

В работе впервые разработаны методы синтеза изображений газодинамических объектов в системах визуализации реального времени на основе корпускулярной и волновой теории света, которые характеризуются последовательным итерационным расчетом пути распространения светового луча на основе зависимости скорости света от плотности газодинамического объекта и ориентации в пространстве фронта световой волны. Это позволяет повысить реалистичность получаемых изображений в цифровых системах визуализации реального времени.

Впервые разработан метод обработки информации в вычислителе описания газодинамических объектов в режиме реального времени, который характеризуется параллельным вычислением всех трех этапов метода «крупных частиц» после выполнения расчетов на первой итерации благодаря разработанной последовательности обхода ячеек расчетной сетки. Использование данного метода позволяет повысить эффективность вычислений на основе минимизации простоев конвейера и дает возможность использовать вычислитель в системах визуализации реального времени.

Кроме того, получил дальнейшее развитие метод «крупных частиц» для описания газодинамических объектов в части его адаптации к требованиям систем визуализации реального времени. Адаптированный метод в отличие от существующих использует уточненный критерий стойкости и имеет дополнительный этап выбора типа расчетных сеток, которые описывают газодинамические объекты. Это позволяет повысить реалистичность изображений при использовании вычислителя описания газодинамических объектов для цифровых систем визуализации, ориентированных на метод обратного трассирования.

В результате математического моделирования подтверждено, что разработанные модели описания газодинамических объектов и определения пути следования света в газодинамическом объекте возможно использовать для формирования реалистичного изображения газодинамических явлений.

Разработаны структурные и функциональные схемы спецпроцессора для описания газодинамических объектов и спецпроцессора формирования данных для визуализации в режиме реального времени с использованием параллельно-конвейерного принципа, что позволяет включать их в системы визуализации реального времени.

Результаты исследований были использованы при построении АСУ ТП нагревательной печи №20 КПЦ 2 ЗАО НКМЗ, г. Краматорск. Также результаты исследований были использованы при разработке самолетного сканера 3-DAS-1 на государственном научно-производственном предприятии «Геосистема».

Ключевые слова: газодинамический объект, реальное время, обратное трассирование, система визуализации, спецпроцессор, метод «крупных частиц», корпускулярная теория света, волновая теория света.

ABSTRACT

Sidorov Vladimir Nikolaevich. Methods, models and structures of calculators for the description gasdynamic objects and their synthesis images in systems of visualization. - the Manuscript.

The dissertation on competition of a scientific degree of technical sciences. on a speciality 05.13.05 computer systems and components. Kharkov national university of radio electronics, Kharkov, 2009.

The dissertation is devoted to questions of formation of the image gasdynamic objects in systems of visualization of real time, adaptation to systems of visualization of real time of methods of the description gasdynamic objects, development application-specific processor descriptions gasdynamic objects and the calculator of formation of data for visualisation. In work methods of synthesis of the image gasdynamic objects in systems of visualisation of real time on the basis of the corpuscular and wave theory of light for the first time are developed and for the first time the method of processing of the information in the description calculator gasdynamic objects in a mode of real time is developed. Has besides, received the further development a method of «large particles» for the description gasdynamic objects regarding its adaptation to requirements of systems of visualisation of real time

Results of researches have been used at construction of MANAGEMENT INFORMATION SYSTEM of the heating furnace №20, Joint-Stock Companies NKMZ, Kramatorsk and at construction airplane scanner 3-DAS-1, enterprise “Geosystem”.

Key words: gasdynamic object, real time, ray tracing, system of visualization, application-specific processor, a method of "large particles”, the corpuscular theory of light, the wave theory of light.

Размещено на Allbest.ru

...