Алгоритмы формирования геометрических моделей в системах виртуального окружения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.01.01, кандидат технических наук Астахов, Юрий Сергеевич

• Астахов, Юрий Сергеевич
• кандидат технических наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат технических наук Астахов, Юрий Сергеевич

Оглавление

Введение

Глава 1. Программно-технический комплекс виртуального окружения различного назначения

1.1. Общее описание системы

1.2. Системы визуализации и виртуального окружения

1.3. Назначение систем виртуального окружения

1.4. Архитектура систем виртуального окружения

1.4.1. Cave

1.4.2. iCONE

1.5. Инструментальные программные средства

1.5.1. Платформа CUDA C/C++

1.5.2. Платформа OpenCL

1.5.3. Платформа С++ AMP

1.6. Выводы первой главы

Глава 2. Визуализация полигональных моделей высокой сложности в системах виртуального окружения

2.1. Методы обработки сцен высокой сложности

2.2. Смешанные полигональные модели

2.3. Системы виртуального окружения

2.4. Среда виртуального окружения "Аванго"

2.5. Реализация смешанных полигональных моделей

2.5.1. Формат хранения данных модели

2.5.2. Узлы сетки базовой модели (CHUNKJSÍODES)

2.5.3. Топология базовой модели (CHUNKJNDEXED_CELLS)

2.5.4. Шаги анимации (CHUNK_TIMESTEP)

2.5.5. Скалярные параметры узлов сетки (СНиМЕСНОБЕЗ С АЬ АЯО АТА8ЕТ)

2.5.6. Хранение прогрессивных сеток (СНШК_РКСЮКЕ881УЕ_0ЕТА1Ь)

2.5.7. Реализация алгоритма разделения вершины для смешанных моделей

2.5.8. Схема работы объекта визуализации

2.6. Результаты

2.7. Выводы второй главы

Глава 3. Корректировка С АО-мод ел ей, полученных из облака точек сканирования

3.1. Формализация входных данных

3.2. Существующие решения

3.3. Представление мостов

3.4. Представление поля недостающей поверхности

3.4.1. Основные положения

3.4.2. Формализация напряжённости поля

3.4.3. Разновидности реализаций ПНП

3.4.4. Определение силовой линии ПНП

3.4.5. Связь представления ПНП с другими подходами

3.4.6. Отслеживание силовых линий ПНП

3.5. Практические реализации ПНП

3.5.1. Общие положения

3.5.2. ПНП, интерполирующее границы РП

3.5.3. Интерполирующее сплайновое ПНП

3.5.4. Радиальное ПНП свободных точек

3.6. Реализация и тесты

3.7. Выводы третьей главы

Глава 4. Приложение разработанных методов и алгоритмов к анализу больших

объемов данных

4.1. RFB-метамодель

4.2. Анализ надёжности

4.2.1. Метод анализа надёжности первого порядка (FORM)

4.2.2. Метод анализа надёжности второго порядка (SORM)

4.2.3. Определение доверительных пределов методом Монте-Карло (CL-MC)

4.2.4. Монте-Карло в сочетании с RFB-метамоделью (MC-RFB)

4.3. Анализ причинно-следственных связей

4.4. Примеры

4.4.1. Ударопрочность стойки кузова (Audi)

4.4.2. Ударопрочность полного автомобиля (Ford Taurus)

4.5. Выводы четвёртой главы

Заключение

Благодарности

Список литературы

Приложение 1. Результаты тестовых испытаний алгоритмов корректировки

моделей

Приложение 2. Примеры анализа ударопрочности и темпоральной кластеризации

Приложение 3. Глоссарий: словарь сокращений и терминов

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Алгоритмы формирования геометрических моделей в системах виртуального окружения»

Введение

«Постоянно растущая сложность физических явлений, изучаемых в научных и инженерных дисциплинах, требует разработки новых подходов и мощной техники для обработки и анализа сложных данных. Постоянно растущая сложность создаваемых машин и механизмов, зданий и сооружений, транспортных систем и технологических процессов, также требуют новых подходов при проектировании и создании прототипов. Постоянно растущая сложность управляемых человеком машин и механизмов, объектов и процессов требуют новых методов и средств для обучения персонала. Такими методами и средствами являются системы визуализации и виртуального окружения.» [Клименко C.B., Брусенцев П.А. Визуализация проектирования в виртуальном окружении//Клуб 3D. Инновационное проектирование. НИАЭП, Нижний Новгород, 2011, С. 37-48]

Современные вычислительные системы позволяют моделировать сложные явления природы и решать задачи, недоступные прямой экспериментальной проверке. Суперкомпьютеры позволяют достаточно полно и точно моделировать различные явления, процессы, устройства и экстремальные ситуации. Однако, огромные объемы данных, получаемые при моделировании сложных явлений, невозможно проанализировать, не прибегая к предварительному исследованию с помощью активного взаимодействия человека с компьютером. Поэтому, в девяностых годах прошлого столетия сформировалось научная дисциплина — визуализация, имеющая своей целью использовать мощную человеческую способность видеть и понимать визуальные изображения для интерпретации больших объемов информации.

Объединение достижений в визуализации с успехами в области человеко-машинного интерфейса привели к появлению систем виртуальной реальности (или виртуального окружения), которые существенно повышают эффективность визуального анализа данных за счет погружения исследователя в виртуальное пространство, создавая ему убедительную иллюзию реальности и предоставляя естественный интуитивный интерфейс для манипулирования данными.

В настоящее время достаточно актуальным является геометрическое моделирование проектируемых изделий и исследование их характеристик на виртуальных моделях. Важным требованием такого моделирования и, вместе с ним, визуального анализа является простое и быстрое задание и изменение параметров модели, а затем быстрая отрисовка (рендеринг) в масштабе времени мыслительного процесса проектировщиков. Это, как правило, секунды. Если проектировщик будет ждать очередного показа модели минуты, его творческий процесс становится неэффективным.

Чтобы сократить время вычислений и отрисовки в процессе проектирования проблема решается с использованием геометрического подхода к анализу данных, где в наборе параметров моделирования используется некоторое ограниченное число пробных точек, на основе которых с помощью интерполяции/аппроксимации данных быстро строится вычислимая модель, где критерии оптимизации и дизайн-переменные (параметры) связаны между собой прямой функциональной зависимостью. Современные модели описывают не только значения критериев, но и оценку их точности. Кроме того, вычисляется весь результат моделирования, представленный высоким разрешением в пространстве-времени. Результатом такого моделирования является набор полигональных (нерегулярных) сеток, состоящих из треугольников или четырёхугольников, где для каждой вершины заданы евклидовы координаты для нескольких временных шагов, что представляет собой анимированную трёхмерную модель (САО-модель). Такие модели состоят из миллионов полигонов, что существенно затрудняет их визуальное отображение из-за аппаратных вычислительных ограничений современного оборудования. Для уменьшения детализации (редукции) моделей используется геометрический подход, называемый методом прогрессивных сеток (децимация сеток), широко применяющийся для снижения числа треугольников без нарушения связности модели. В отечественной науке существенный вклад в развитие теоретических основ и практических решений в области геометрического моделирования внесен научными школами Васина Ю.Г., Галактионова В.А., Де-белова В.А., Денискина Ю.И., Желтова С.Ю., Кеткова Ю.Л., Кучуганова В.Н.,

Роткова С.И., Толока A.B., Турлапова В.Е., Утробина В.А. и ряда других исследователей.

Целью данной работы является разработка методов и алгоритмов формирования геометрических моделей в системах виртуального окружения для интерактивной визуализации и проектирования.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Разработка методов моделирования и алгоритмов виртуального проектирования на основе визуального анализа данных.

2. Разработка методов и алгоритмов устранения разрывов поверхности в CAD-моделях, полученных в результате обработки данных лазерного сканирования и фотограмметрии.

3. Разработка метода и алгоритмов редуцирования моделей для их интерактивной визуализации в виртуальном окружении.

4. Разработка метода минимизации потерь качества при редуцировании моделей с использованием алгоритмов прогрессивных сеток.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Метод прогрессивных сеток, который позволяет визуализировать высокополигональные модели с минимальными потерями качества визуализируемых объектов.

2. Представление поля недостающей поверхности и алгоритмов для восстановления обширных и топологически неоднозначных областей недостающих поверхностей CAD-моделей.

3. Методы и алгоритмы решения задач нелинейного метамоделирования в цикле виртуального проектирования.

4. Методы интерактивного проектирования и редуцирования моделей крэш-тестов.

Научная новизна:

1. Разработан алгоритм прогрессивных сеток для интерактивной визуализации в системах виртуального окружения.

2. Разработан новый алгоритм для восстановления обширных и топологически неоднозначных областей недостающих поверхностей CAD-моделей.

3. Разработаны новые методы нелинейного метамоделирования в цикле виртуального проектирования.

Практическая значимость диссертационной работы. Полученные в результате выполнения исследований и разработок диссертационной работы методы, алгоритмы, структуры данных и программные средства были использованы при создании автоматизированных систем проектирования и виртуального прото-типирования.

Разработанные методы визуализации и алгоритмы были внедрены в практику научных исследований в Государственном научном центре РФ Научно-исследовательском институте теплоэнергетического приборостроения «НИИ-Теплоприбор», в Институте физико-технической информатики, в Фраунгоферов-ском Институте Медиакоммуникаций (Fraunhofer Institut Medienkommunikation) и Фраунгоферовском Институте Компьютерной Графики (Fraunhofer Institut Graphische Datenverarbeitung) и используются в качестве инструмента визуализации в системах виртуального окружения.

Материалы исследований реализованы с использованием открытой графической библиотеки OpenSceneGraph, модуля системы виртуального окружения «Аванго», используются в учебном процессе в лекционных курсах и практических занятиях на Кафедре физико-технической информатики Московского физико-технического института (государственного университета).

Достоверность изложенных в работе результатов обеспечивается корректным применением аппарата компьютерной геометрии и графики, подтверждены экспериментальным тестированием алгоритмов и программ, результатами опытной эксплуатации разработанных программных средств.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на научных семинарах Кафедры и Института физико-технической информатики; на Международной конференции Intuition 2007 (Греция, Афины); на Международных конференциях «Кибернетические Миры» (International Conference on Cyberworlds) CW2007 (Германия, Ганновер), CW2008 (КНР, Ханчжоу), CW2009 (Великобритания, Бредфорд); на Первой международной конференции «Трехмерная визуализация научной, технической и социальной реальности. Кластерные технологии моделирования» (Россия, Ижевск, 2009); на 19-й Международной конференции ГрафиКон-2009 (Россия, Москва); на 52-й научной конференции МФТИ «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук» (Россия, Долгопрудный, 2009); на Международных научных конференциях МЕ-DIAS2009, MEDIAS2010, MEDIAS2011, MEDIAS2012 (Республика Кипр, Лимас-сол); на Международных конференциях «Ситуационные центры и информационно-аналитические системы класса 4i» (Россия, Москва, 2011) и «Системы виртуального окружения для комплексной безопасности и антитеррористической защищенности зданий и сооружений» (Россия, Москва, 2011).

Диссертационная работа была выполнена при поддержке грантов Российского фонда фундаментальных исследований 09-08-01009, 10-07-00512, 10-07-00513, 10-07-00514, 11-07-00506, 12-07-00780.

Личный вклад. Все результаты, составляющие основное содержание диссертации, получены автором самостоятельно. В работах [2, 3, 4] автором разработан и реализован алгоритм прогрессивных сеток, редуцирующий CAD-модели, состоящие из треугольников и четырёхугольников для интерактивной визуализации. Предложены и внедрены методы интерактивного проектирования и редуцирования моделей крэш-тестов в инструментальной системе разработки виртуальных окружений Avango.

В работе [5] автором разработан метод для оценки интерполяционных свойств точки заданной поверхности для интерполяции недостающих частей. Автору принадлежит идея использования этого метода для улучшения качества редукции CAD-моделей. В работах [6, 7, 8, 9, 10, 11] разработан метод и пред-

ставление для устранения разрывов поверхности в САБ-моделях с использованием абстрактного тензорного поля, позволяющие разработать и использовать любой метод оценки, имеющий более высокое качество работы и лучшую универсальность по сравнению с существующими. В работах [12, 13, 14] автору принадлежит реализация реконструкции поверхностей по облаку точек ряда ландшафтов горнолыжных трасс с использованием методов и алгоритмов оптимизации сеток и заполнения разрывов.

Публикации. Основные результаты по теме диссертации изложены в 17 печатных изданиях [2-18], 3 из которых изданы в журналах [3, 10, 11], рекомендованных ВАК, 12 — в Трудах Международных конференций [2, 3, 5, 6, 7, 8, 12, 13, 14, 15, 17, 18].

Заключение диссертации по теме «Инженерная геометрия и компьютерная графика», Астахов, Юрий Сергеевич

Основные результаты работы заключаются в следующем.

1. Реализован метод прогрессивных сеток, который позволяет визуализировать высокополигональные модели с минимальными потерями для качества визуализируемых объектов и проводить интерактивное отображение результатов симуляции симуляции крэш-тестов автомобилей.

2. Разработано представление поля недостающей поверхности, которое предназначено для восстановления обширных и топологически неоднозначных областей недостающих поверхностей С АО-моделей. С использованием данного представления разработан способ для минимизации потерь — оптимального положения вершин — при оптимизации моделей для алгоритма удаления ребер в методе прогрессивных сеток. Реализованы алгоритмы удаления ребер и разделения вершин в методе прогрессивных сеток для использования в САБ-моделях с четырёхугольниками.

3. Разработаны новые методы нелинейного метамоделирования в цикле виртуального проектирования, включающие проведение численных экспериментов и интерактивную визуализацию, обеспечивающую непрерывное представление результатов моделирования, оценку точности и быструю интерполяцию больших объемов данных.

4. Внедрены и реализованы методы и алгоритмы интерактивного проектирования и оптимизации моделей крэш-тестов в инструментальной системе разработки виртуальных окружений Ауа^о. Для устойчивости оптимизации подход метамоделирования был расширен методами анализа надежности и причинно-следственного анализа.

Практическая полезность разработанных методов, алгоритмов и программ была продемонстрирована на примерах приложений в автомобильной промышленности.

Благодарности

Я выражаю искреннюю благодарность доктору физико-математических наук Никитину И.Н. за помощь в научной работе, доктору физико-математических наук, профессору Станиславу Владимировичу Клименко и доктору технических наук, профессору Роткову Сергею Игоревичу за неоценимую помощь и замечания при написании диссертационной работы, а также Никитиной Л.Д., Емельянову А.И., Алёшину В.П. за многолетнее плодотворное сотрудничество.

Я благодарен Российскому фонду фундаментальных исследований за частичное финансирование исследований, результаты которых стали основой данной диссертации.

Заключение

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Астахов, Юрий Сергеевич, 2013 год

Список литературы

1. Hugues Норре. Progressive meshes. In SIGGRAPH'96: Proceedings of the 23rd annual conference on Computer Graphics and interactive techniques, ACM Press, New York, NY, USA, 1996.

2. Stork A., C.-A. Thole, S. Klimenko, I. Nikitin, L. Nikitina, Y. Astakhov. Simulated Reality in Automotive Design. In: Proceedings of Inteernational Conference on Cyberworlds 2007, CW2007, IEEE Press, 2007, pp. 23-27

3. A.Stork, C.-A. Thole, S. Klimenko, I. Nikitin, L. Nikitina, Y. Astakhov, Towards Interactive Simulation in Automotive Design, Intuition 2007, Oct. 2007, Athens; The Visual Computer, Vol.24, Num.11, Special Issue INTUITION, pp.947-953, Nov.2008

4. Астахов Ю.С., Клименко C.B., Никитин И.Н., Никитина Л.Д. Методы стохастического анализа больших объемов данных // SC-IAS4i-VRTerro2011 Труды Международных научных конференций: "Ситуационные центры и информационно-аналитические системы класса 4i", 14-16 ноября 2011 г.; "Системы виртуального окружения для комплексной безопасности и антитеррористической защищенности зданий и сооружений", 19-21 декабря 2011 г., Изд. ИФТИ, Москва-Протвино, С.6-16, ISBN 978-5-88835-021-8

5. Emelyanov A.I., Astakhov Yu.S., Klimenko S.V. Estimation of Interpolation Properties of a Point. In: Proceedings of International Conference on Cyberworlds 2008, CW2008, IEEE Press, Piscataway, 2008, pp.461-466

6. Emelyanov, A.; Astakhov, Yu.; Klimenko, S. General Concept of Repairing CADModels // in Proc. CW2009 International Conference on CyberWorlds, 2009, Bradford, West Yorkshire, UK, September 07-11, ISBN: 978-0-7695-3791-7, pp.108113. Digital Object Identifier 10.1109/CW.2009.53

7. Astakhov Yuri, Emelyanov Alexander, Klimenko Stanislav, Frolov Pavel. Parallel Architectures in Mesh Repairing // MEDIAS2010 Труды Международной

научной конференции, 10-14 мая 2010 г., Лимассол, Республика Кипр, Изд.ИФТИ, С.140-148, ISBN 978-5-88835-030-0

8. Emelyanov A., Astakhov Yu., Klimenko S. Parallel-aware Processing Concept for CAD-models Repairing // MEDIAS2011 Труды Международной научной конференции, 10-14 мая 2011 г., Лимассол, Республика Кипр, Изд.ИФТИ, С. 17-24, ISBN 978-5-88835-032-4 .

9. Астахов Ю.С., Емельянов А.И., Клименко С.В., Ротков С.И. Корректировка CAD-моделей, полученных из облака точек сканирования // SC-IAS4i-VRTerro2011 Труды Международных научных конференций: "Ситуационные центры и информационно-аналитические системы класса 4i", 14-16 ноября 2011 г.; "Системы виртуального окружения для комплексной безопасности и антитеррористической защищенности зданий и сооружений", 19-21 декабря 2011 г. Изд. ИФТИ, Москва-Протвино, С.92-102, ISBN 978-5-88835-021-8

Ю.Астахов Ю. С., Емельянов А. И., Клименко С. В., Ротков С. И. Восстановление не полностью реконструированных CAD-моделей/ Ю. С. Астахов, А. И. Емельянов, С. В. Клименко, С. И. Ротков // Приволжский научный журнал / Ни-жегор. гос. архитектур.-строит. ун-т. - Н. Новгород, 2012. - № 3. - С. 94-99.

И.Астахов Ю. С., Емельянов А. И., Клименко С. В., Ротков С. И. Исправление CAD-моделей, полученных из сканированных данных/ Ю. С. Астахов, А. И. Емельянов, С. В. Клименко, С. И. Ротков // Приволжский научный журнал / Нижегор. гос. архитектур.-строит. ун-т. - Н. Новгород, 2013. - № 1. - С. 26-32.

12.Алешин В.П., Клименко С.В., Астахов Ю.С., Бобков А.Е., Бородина М.И., Волегов Д.Б., Казанский И. В., Новгородцев Д.Д., Фролов n.B.//3D моделирование виртуальных сцен для тренажерных комплексов с силовой обратной связью, Первая международная конференция «Трехмерная визуализация научной, технической и социальной реальности. Кластерные технологии моделирования» Ижевск 2009, С. 10-13

13.Aleshin V, Klimenko S, Astskhov J, Bobkov A, Borodina M, Volegov D, Kazansky I, Novgorodtsev D, Frolov P. //3D scenes simulation, animation, and synchronization in training systems with force back-coupling // in The Proc. of the 19 International

Conference GraphiCon-2009, Moscow, Russia, ISBN 978-5-317-02975-3, pp. 166170

14.Алешин В.П., Клименко C.B., Астахов Ю.С., Бобков А.Е., Бородина М.И., Волегов Д.Б., Новгородцев Д.Д., Фролов П.В. Исследование и разработка методов повышения реалистичности 3D погружения в визуально-силовых тренажерах // MEDIAS2010 Труды Международной научной конференции, 10-14 мая 2010 г., Лимассол, Республика Кипр, Изд.ИФТИ, С. 18-22, ISBN 978-588835-030-0

15.V. Aleshin, S. Klimenko, J. Astakhov, A. Bobkov, M. Borodina, D. Volegov, I. Kazansky, D. Novgorodtsev, P. Frolov. 3D scenes simulation, animation and synchronization in training systems with force back-coupling//in MEDIAS-2009 The Conference Proceedings, May 10-15, 2009, Limassol, Republic of Cyprus, pp.68-71

16.Алешин В.П., Клименко C.B., Новгородцев Д.Д., Астахов Ю.С., Белокрынкина В.А., Бобков А.Е., Бородина М.И., Казанский И.П., Никишкин В.А., Петрухин

B. А., Тру фанов П.В. Визуально-силовой горнолыжный тренажерный комплекс // в сб. Труды 52-й научной конференции МФТИ «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук», 27-28 ноября 2009 г., Москва-Долгопрудный, изд. МФТИ, Часть IV, Том 1, ISBN 978-5-7417-0306-9, С.63-64

П.Астахов Ю.С. Афанасьев В.О., Бронецкий А.Е., Брусенцев П.А., Клименко

C.B., Огурцов А.И., Федотов М.О. Модернизация программно-технического комплекса ОАО ГНЦ «НИИТеплоприбор» для задач виртуального прототипи-рования приборов и систем объектов энергогенерации // MEDIAS2012 Труды Международной научной конференции, 07-14 мая 2012 г., Лимассол, Республика Кипр, Изд.ИФТИ, С. 16-35, ISBN 978-5-88835-023-2

18.Астахов Ю.С. Инструменты и алгоритмы формирования геометрических моделей в системах виртуального окружения // MEDIAS2012 Труды Международной научной конференции, 07-14 мая 2012 г., Лимассол, Республика Кипр, Изд. ИФТИ, С.62-78, ISBN 978-5-88835-023-2

19.Труды 1-ой Международной конференции по системам виртуального окружения на кластерах персональных компьютеров. VEonPC2001. Протвино, 22-25 сентября 2001 г., Институт физико-технической информатики, 2001.

20.Клименко С.В., Никитин И.Н., Никитина Л.Д. «Аванго: система разработки виртуальных окружений» — Москва-Протвино, 2006, Институт физико-технической информатики, ISBN 5-88835-017-6, 252С.

21.nVIDIA cuda zone, http://www.nVIDIA.com/cuda

22.James S. Sims, John G. Hagedorn, Peter M. Ketcham, Steven G. Satterfield, Terence J. Griffin, William L. George, A. Fowler, Barbara A. Am Ende, Howard K. Hung, Robert B. Bohn, John E. Koontz, Nicos S. Martys, Charles E. Bouldin, James A.Warren, David L. Feder, B. James Filla, Charles W. Clark, and Judith E. Devaney. Accelerating scientific discovery through computation and visualization// NIST Journal of Research, vol. 6, no. 105, pp. 875-894, 2000

23.James S. Sims, William L. George, G. Satterfield, Howard K. Hung, John G, Peter M. Ketcham, J. Griffin, Stanley A. Hagstrom, Julien C. Franiatte,Garnett W. Bryant, W. Jaskolski, Nicos S. Martys, Charles E. Bouldin, Vernon Simmons, Oliver P. Nicolas, A. Warren, Barbara A. Am Ende, John E. Koontz,В. James Filla, Vital G. Pourprix, Stefanie R. Copley, Robert B. Bohn, Adele P. Peskin, Yolanda M. Parker and Judith E. Devaney. Accelerating scientific discovery through computation and visualization II// NIST Journal of Research, vol. 3, no. 107, pp. 223-245, 2002

24.James S. Sims, W. L. George, Terrence J. Griffin, John G. Hagedorn, Howard K. Hung, John T. Kelso, Marc Olano, Adele P. Peskin, Steven G. Satterfield, Judith E. Terrill, Garnett W. Bryant, and Jose G. Diaz. Accelerating scientific discovery through computation and visualization iii. tightbinding wave functions for quantum dots// NIST Journal of Research, vol. 3, no. 113, pp. 131-142, 2008

25.NVIDIA Tesla® K20-K20X GPU Accelerators: Benchmarks. http://www.nVIDIA.com/docsЯO/122874/K20-and-K20X-application-performance-technical-brief.pdf

26.NVIDIA Kepler GK110 Next-generation cuda compute architecture. http://www.nVIDIA.ru/content/PDF/kepler/NV_\DS_Tesla_KCompute_Arch_May_ 2012_LR.pdf

27.Sutherland, I.E.: The Ultimate Display, Proc. IFIP 65, 2, pp. 506-508, 582-583, 1965

28.Brooks, Jr., F.P., "What's Real About Virtual Reality?", IEEE Computer Graphics and Applications, 1999, 19, 6, pp. 16-27

29.Клименко C.B., Гебель M., "Научная визуализация в виртуальном окружении", Программирование, No.4, 1994

30.Burdea G., Coiffet P. "Virtual Reality Technology" // John Wiley & Sons, Inc. , New York, 1994

31 .Ryan Bane, Tobias Holler. "Interactive Tools for Virtual X-Ray Vision in Mobile Augmented Reality" //In Proc. ISMAR '04 (Intl Symposium on Mixed and Augmented Reality), Nov. 2-5, 2004, Arlington, VA

32.C. Cruz-Neira, Surround-Screen Projection-Based Virtual Reality: The Design and Implementation of the CAVE. Computer Graphics Proc., Annual Conference Series, 1993, pp.135-142

33.OpenSceneGraph, http://www.openscenegraph.org

34.Сандерс Дж., Кэндрот Э. Технология CUDA в примерах: введение в программирование графических процессоров: Пер. с англ. Слинкина А.А., научный редактор Боресков А.В. - М.: ДМК Пресс, 2001. - 232С.: ил.

35.Боресков А.В., Харламов А.А. Основы работы с технологией CUDA. - М.: ДМК Пресс, 2013. - 232.: ил.

36.CUDA С Best Practices Guide Version 3.2. NVIDIA CORPORATION. 8/20/2010.

37.Rob Farber. CUDA Application Design and Development. NVIDIA Corporation and RobFarber. 2011. DOI: 10.1016/B978-0-12-388426-8.00001-X

38.NVIDIA CUDA 5 еще больше упрощает программирование на GPU. http://www.nVIDIA.ru/object/nVIDIA-cuda-5-parallel-computing-20121015-ru.html

39.Tom Nelson. «Snow Leopard: Utilizing Your GPUs», http://macs.about.com/od/ snowleopardmacosxl06/qt/opencl.htm.

40.http://www.khronos.org/opencl/

41.Лей Э. Универсальный ускоритель. Khronos Group OpenCL опубликовала спецификацию OpenCL 1.0. // Открытые системы, №12, 2008.

42.Cohen P. OpenCL: What you need to know, Macworld Aug 6, 2008.

43.Benedict Gaster, Lee Howes, David R. Kaeli, Perhaad Mistry. Dana Schaa. Heterogeneous Computing with OpenCL// Advanced Micro Devices, Inc. Published by Elsevier Inc. 2012. ISBN 978-0-12-387766-6.

44. Microsoft опубликовала спецификации С++ AMP. http://www.cvbersecurity.ru/software/143468.html

45.Daniel Moth. С++ AMP open spec published. http://blogs.msdn.eom/b/nativeconcurrency/archive/2012/02/03/c-amp-open-spec-published.aspx

46.Microsoft Corporation. С++ AMP : Language and Programming Model : Version 1.0 : August 2012

47.ESI Group: Using PAM-CRASH Parallel version on 16 processors, BMW now runs a full crash test simulation overnight. http://www.esi-group.com/News/Success/BMW/ss_bmw.pdf

48.Haug, E., T. Scharnhorst, P. Du Bois (1986) «FEM-Crash, Berechnung eines Fahrzeugfrontalaufpralls», VDI Berichte 613, pp. 479-505.

49.Philipp Spethmann, Stefan H. Tomke, Cornelius Herstatt. The Impact of Crash Simulation and Productivity and Problem-Solving in Automotive R&D. Technische Universität Hamburg-Harburg. 2006.

50.Cave Virtual Reality System. http://www.evl.uic.edu/pape/CAVE/

51.Bill Sherman. Cave Software Interfaces. The National Center for Supercomputing Applications, University of Illinois at Urbana-Champaign, 1996-1997. http://cave.ncsa.uiuc.edu/mirrors/cave_software.html

52.Сайт PowerWall. http://www.lcse.umn.edu/research/powerwall/powerwall.html

53.Stefan Wundrak, Thomas Herrn, Andre Stork. 14th International Conference of Visualization and Computer Vision in Central Europe: Dynamic Progressive Triangle— Quadrilateral Meshes, 2006.

54.C.B. Клименко, И.Н. Никитин, Л.Д. Никитина. Аванго — система разработки виртуальных окружений. МФТИ, Москва—Протвино, 2005.

55.James H. Clark. Hierarchical Geometric Models for Visible Surface Algorithms. In Communications of the ACM 19(10), pp. 547-554, 1976.

56.Ulf Assarsson and Tomas Moller, «Optimized View Frustum Culling Algorithms», Technical Report 99-3, Department of Computer Engineering, Chalmers University of Technology, http://www.ce.chalmers.se/staff/uffe/, 1999.

57.H. Zhang, D. Manocha, T. Hudson, K.E. Hoff III. Visibility Culling Using Hierarchical Occlusion Maps. Computer Graphics (Proceedings of SIGGRAPH'97), pp. 77-88, 1997.

58.H. Zhang. Effective occlusion culling for the interactive display of arbitrary models. PhD thesis, UNC Chapel Hill 1998.

59.Michael Garland and Paul S. Heckbert. Simplifying surfaces with colour and texture using quadric error metrics. In VIS'98: Proceedings of the conference on Visualization^, pp. 63-269, IEEE Computer Society Press, Los Alamitos, CA, USA, 1998.

60.Anish Malanthara, Walter Gerstle. Comparative study of unstructured meshes made of triangles and quadrilaterals. Proc. of 6th Intl. Meshing Roundtable, pp. 437-447, 1997.

61.0penMesh. Generic and efficient data structure for representing and manipulating polygonal meshes, http://www.openmesh.org

62. IEEE Standard for Floating-Point Arithmetic. http ://ieeexplore .ieee .org/xpl/mostRecentlssue .j sp?punumber=4610933

63.Тао Ju. Robust Repair of Polygonal Models. Proceedings of ACM SIGGRAPH, ACM Transactions on Graphics, 23(3), pp. 888-895, 2004.

64.J. Esteve, P. Brunei, A. Vinacua. Approximation of a Variable Density Cloud of Points by Shrinking a Discrete Membrane. Computer Graphics Forum, Volume 24 Issue 4, pp. 791-807, 2005.

65.Q-Y. Zhou, T. Ju, S-M. Hu. Topology Repair of Solid Models Using Skeletons. IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics, 13(4), pp. 675-685, 2007.

66.B. Allen, B. Curless, Z. Popovic. The Space of Human Body Shapes. Reconstruction and Parameterization from Range Scans. ACM Transactions on Graphics, Vol. 22, No. 3, pp. 587-594, 2003.

67.M. Pauly, N. J. Mitra, J. Giesen, M. Gross, L. Guibas. Example-based 3D Scan Completion. Symposium on Geometry Processing, pp.23-32, 2005.

68.C. Stoll, Z. Kami, C. Rossi, H. Yamauchi, H.-P. Seidel. Template Deformation for Point Cloud Fitting. Eurographics Symposium on Point-Based Graphics, pp. 27-35, 2006.

69. A. Emelyanov. Surface reconstruction from clouds of points. PhD Thesis. Department of Computer Science, University of West Bohemia, Plzen, 2004.

70.J.W. Tukey, Exploratory Data Analysis, Addison-Wesley, London, 1997.

71.D.L. Donoho, High-Dimensional Data Analysis: The Curses and Blessings of Di- mensionality. Lecture on August 8, 2000, to the American Mathematical Society

"Math Challenges of the 21st Century".

72.D.R. Jones, M. Schonlau, W J. Welch, Efficient Global Optimization of Expensive Black-Box Functions, Journal of Global Optimization, vol.13, 1998, pp.455-492.

73. A.J. Keane, S.J. Leary, A. Sobester, On the Design of Optimization Strategies Based on Global Response Surface Approximation Models, Journal of Global Optimization, vol.33, 2005, pp. 31-59.

74.1. Nikitin, L. Nikitina, T. Clees, Stochastic analysis and nonlinear metamodeling of crash test simulations and their application in automotive design, in: Computational Engineering: Design, Development and Applications, Ed.: F.Columbus, Pub.: Nova Science, New York 2012.

75.1. Nikitin, L. Nikitina, T. Clees, C.-A. Thole, Advanced mode analysis for crash simulation results. In: DYNAmore Stuttgart: 9th LS-DYNA Forum 2010 : 12.-13. Oktober 2010 in Bamberg. Stuttgart, 2010, S.I/1/11-1/1/20.

76.1. Nikitin, L. Nikitina, T. Clees, Nonlinear metamodeling, multiobjective optimization and their application in automotive design, in Mathematics in industry 17, Springer, 2012.

77.С.-А. Thole, L. Mei, Reason for scatter in simulation results. In Proceedings of the 4th European LS-Dyna User Conference. Dynamore, Germany, 2003.

78.C.-A. Thole, Compression of ls-dyna simulation results. In Proceedings of the 5th European LS-DYNA user conference, Birmingham, 2005.

79.C.-A. Thole, L. Mei, Data analysis for parallel car-crash simulation results and model optimization. Simulation modelling practice and theory, 16(3):329—337, 2008.

80.M.D. Buhmann, Radial Basis Functions: theory and implementations, Cambridge University Press, 2003.

81.L. Cizelj, B. Mavko, H. Riesch-Oppermann, Application of first and second order reliability methods in the safety assessment of cracked steam generator tubing, Nuclear Engineering and Design 147, 1994.

82. A.W. van der Vaart, Asymptotic statistics. Cambridge University Press, 1998.

83. JA. Wheeler and R.P. Feynman, Rev. of Mod. Phys. 17, 157 (1945); Rev. of Mod. Phys. 21, 425 (1949).

84. S. Klimenko, I. Nikitin, On structure of 3-dimensional 2-body problem solutions in Wheeler-Feynman electrodynamics, II Nuovo Cimento, V.116B N9 (2001) pp.10291043.

85.S. Klimenko, I. Nikitin, Exotic solutions in string theory, II Nuovo Cimento A, V.lll (1998) pp. 1431-1456.

86. Галактионов В.А. Программные технологии синтеза реалистичных изображений. Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук. Институт прикладной математики им. М.В. Келдыша РАН, Москва, 2006

87. Дебелов В.А. Разработка технологических систем машинной графики. Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. Институт вычислительной математики и математической геофизики СО РАН, Новосибирск, 2003

88. Васин Ю.Г. Оптимизация описания исходных данных в диалоговых системах решения задач классификации. В кн. Современное состояние теории исследования операций. М.Наука,1979

Приложение 1. Результаты тестовых испытаний алгоритмов корректировки моделей

Таблица 2. Характеристики тестовых моделей.

Модель Описание Класс Топологический аналог Площадь НП, %

«Поломанный кролик» Получена из известной модели "Bunny" в результате удаления поверхности в некоторых случайным образом выбранных регионах. НРМ2 сфера 26

«Тор» Получена частичным удалением поверхности во внутренней части CAD-модели тора с целью имитации эффекта экранирования (заслонения) при сканировании. НРМ2Т тороид 10

«Морда льва» Результат сканирования образца небольших размеров в лаборатории. НРМЗ открытая полусфера 23

«Маска Зевса» Результат сканирования части крупной скульптуры на месте ее расположения. НРМЗ открытая полусфера 43

Таблица 3. Результаты обработки.

Модель Начальное Число Число Конечное Время обра-

число тре- островов контуров число тре- ботки (Intel

угольников границ угольников Core i7, 3.4 ГГц, 4 ГБ), секунд

8 пото- 1

ков поток

«Поломан- 50855 1 79 68558 20 128

ный кро-

лик»

«Тор» 2516 1 2 2818 1 1

«Морда 363268 7 57 471239 530 3264

льва»

«Маска Зевса» 331197 284 627 780183 714 4375

Рисунок П.1.2. Модель «Тор».

Рисунок П.1.3. Модель «Морда льва».

Рисунок П.1.4. Модель «Маска Зевса».

Приложение 2. Примеры анализа ударопрочности и темпоральной кластеризации

Meta model Explorer

1=Ш

HP эгзэз

2.»«7S

ал» Э Е3'25

-МІМИ 7.7«? 1.(«123 U7.U1

VC*>Cty|lSS7:

Э.ЗОО«5 2?. но«© ; L.St сів М.50Ф5

б. 92*63 15.»« C.CCS5S3 И.УМ2

Mptnmodrl Fvplorrr

п»глюп|15А

І=Ш

o sr/s 9.4CI /!

Geometry View*

S I S I lit ♦/• О OPS SV» I&S047

Geometry Viewer Hfil ffi

<а ir® іаіГаїГії

СОШЯ СЛГ* woo 4m «tr»«f MKEF OW МГV=

MN \*L 0

MM\AL 0в7ї*4в ЦвЗІ «НГГЕ

e Г&НГаНГФНГ

самот і «аімакп | м«а> ¡пни

MNVML-

HUJt 1 «7 JMS

«в> 1»

Рисунок 4.2. Анализ ударопрочности стойки кузова Audi с помощью DesParO. Вверху: наложены ограничения на глубину и массу, в центре: найдены два оптимальных дизайна, внизу: контроль оптимального дизайна в средстве просмотра геометрии DesParO.

0 000

1.111

2 222

3 333

4 444

5 556

■ 6 667

7 77«

ее»

1 1000<

LS-DYNA Deck State 32 at time 0.150001

LS-DVNA Deck - btats 32 at Hot 0.150X1

Э.СОО till 2.122 3333 4.444

15.556 6.667

IS-r^A neck • Stat» 37 at time 0.150Г01

17 776 B.B89 10 00C

C.000 1.111 2.222 3.333

4.444 5.556

.5.667

1,77, 6.899

io.ooo

LS-DTNA Cea - sua 32 at time 0.15С0Э1

Рисунок 4.3. Темпоральная кластеризация модели Ford Taurus в системе DiffCrash. Вверху слева: исходный шум, в мм., вверху справа — в центре слева — в центре справа: результаты последовательных итераций вычитания шума, внизу: две основные бифуркации, найденные при

анализе.

о.ооо 1.111 2.222 3.333 4.444 5.556 6.667 7.778 8.889 10.000

0.000 1.111 |2 222 3.333 14.444 5.556 16.667) .7.778 \ 18.889

Приложение 3. Глоссарий: словарь сокращений и терминов

AR — Augmented Reality — расширенная (дополненная) реальность, частный случай смешанной реальности (MR). Технология AR «дополняет» реальный мир посредством наложения на его изображение сгенерированных компьютером данных

API — Application Programming Interface — программно-прикладной интерфейс

(интерфейс программирования приложений) CAD — Computer Aided Design — система автоматизированного проектирования (конструирования)

CAVE — Cave Automated Virtual Environment — автоматизированная система

виртуального окружения типа «пещеры» CCA — Curvilinear Component Analysis (криволинейный компонентный анализ) CL — доверительный интервал

CL-MC — способ определения доверительных интервалов с помощью метода

Монте Карло (CL-MC) CRT — Cathode Ray Tube — катодно-лучевая трубка (электронно-лучевая трубка, ЭЛТ)

DLP — Digital Light Processing — проектор с цифровой обработкой света

DSP — Digital Signal Processor — процессор цифровых сигналов

DCS — Dynamic Coordinate System — динамическая система координат

Ethernet — компьютерная локальная сеть

FEM — Finite Element Method — метод конечных элементов

FhG IMK — Fraunhofer Institut Medienkommunikation — Фраунгоферовский институт медиакоммуникаций (ИМК) GS — ортогонализация (процесс) Грама-Шмидта iCONE — панорамная система виртуального окружения LCD — Liquid Crystal Display — дисплей на жидких кристаллах Linux — свободно распространяемая операционная система

для персональных компьютеров

MC-RBF — метод Монте Карло в сочетании с RBF-метамоделью

OpenGL — программный аппаратно-независимый интерфейс низкого уровня к

графическому оборудованию PC — Personal Computer — персональный компьютер (ПК) РСА — Principal Component Analysis (анализ главных компонент) РМ — Progressive Mesh — метод прогрессивных сеток rendering — преобразование описания модели в визуальное представление SGI — Silicon Graphics Inc. — компания по производству графических компьютеров

SGI OpenGL Performer — программный интерфейс для разработки высокопроизводительных графических приложений, является надстройкой над OpenGL VEonPC — Virtual Environment on a PC Cluster, виртуальное окружение на кластерах персональных компьютеров — относительно недорогая, но весьма эффективная установка виртуального окружения, разработанная в рамках совместного проекта Фраунгоферовского института медиакоммуникаций (IMK, г. Санкт-Августин, Германия) и Института физико-технической информатики

SimReal — формат хранения моделей

SORM — Метод анализа надежности второго порядка

Tracking — система локализации и слежения

VE — Virtual Environment — виртуальное окружение

VR — Virtual Reality — виртуальная реальность

Аванго — программная среда (Avango), представляющая собой мощное средство для разработки интерактивных распределенных приложений виртуального окружения (VE) ГНЦ — Государственный научный центр ИГП — Интерполирующее границы поле ИСП — Интерполирующее сплайновое поле ИФТИ — Институт физико-технической информатики

МПНП — метод предсказания поведения недостающей поверхности

МФТИ — Московский физико-технический институт

НГ — неоднозначная граница

НРМ — не полностью реконструированная модель

НП — недостающая поверхность

НД — нетривиальная дырка

ОГ — однозначная граница

ПНП — поле недостающей поверхности

РП — реконструированная поверхность

ПСТ — радиальное ПНП свободных точек

РФФИ — Российский фонд фундаментальных исследований

ТД — тривиальная дырка

ЭЛТ — электронно-лучевая трубка (CRT)