Разработка методов и алгоритмов обработки информации при визуализации жидкостей в системах виртуальной реальности тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.01, кандидат наук Торгонин, Евгений Юрьевич

• Торгонин, Евгений Юрьевич
• кандидат наук
• 2014

Оглавление диссертации кандидат наук Торгонин, Евгений Юрьевич

Оглавление

Введение

Глава 1. Анализ состояния вопроса в области создания методов описания жидкостей для задач визуализации в системах виртуальной реальности

1.1. Анализ особенностей систем виртуальной реальности, требования и ограничения, предъявляемые к используемым методам и алгоритмам

1.2. Анализ особенностей современной аппаратной базы систем виртуальной реальности

1.3. Особенности планирования выполнения задач в системах реального времени

1.4. Классификация методов описания жидких сред и геометрического представления поверхностных волн

1.5. Модели и методы описания поверхностного волнения

1.6. Методы описания потоков в жидких средах

1.6.1. Сеточные методы описания динамики жидких сред, разработанные для применения в задачах визуализации

1.6.2. Бессеточные методы описания динамики жидких сред, разработанные для применения в задачах визуализации

Глава 2. Разработка метода синтеза поверхностного волнения на основе обработки статистической информации

2.1. Статистическая модель описания движения поверхности жидкой среды

2.2. Разработка метода обработки спектра направленного поверхностного волнения

2.3. Разработка стохастического метода описания ненаправленного поверхностного волнения

2.4. Алгоритм синтеза поверхностного волнения

2.5. Анализ эффективности разработанного алгоритма синтеза поверхностного волнения

Глава 3. Разработка гибридной модели представления жидкой среды со свободной поверхностью

3.1. Модель представления жидкой среды

3.2. Адаптация метода SPH для описания жидкой среды в системах виртуальной реальности

3.3. Выбор функции ядра сглаживания метода SPH

3.5. Алгоритм расчёта динамики среды методом SPH

3.6. Экспериментальная проверка предложенного алгоритма

3.7. Гибридная модель представления жидкой среды

3.8. Гибридный метод описания динамики и визуализации жидких сред

Глава 4. Разработка вычислительной системы для эффективной обработки информации при визуализации жидких сред

4.1. Модель представления среды на больших пространствах

4.2. Управление исполнением вычислительных задач в гетерогенной вычислительной среде

4.3. Синхронизация при обработке общей информации

4.4. Тестирование программного комплекса и анализ результатов

Заключение

Список литературы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка методов и алгоритмов обработки информации при визуализации жидкостей в системах виртуальной реальности»

Введение

В настоящее время происходит бурное развитие технологий, постоянное усложнение техники, автоматизированных систем и производств. В таких условиях особое значение приобретают технологии компьютерного моделирования и обработки информации. Особое внимание уделяется созданию средств и методов удобного представления информации в понятном для человека формате.

В результате, очень актуальной становится задача создания систем виртуальной реальности, так как известно, что визуальное представление данных способствует наиболее быстрому усвоению сложной информации и позволяет эффективно её обрабатывать. Системы виртуальной реальности уже применяются во множестве отраслей экономики, позволяют решать задачи как фундаментальных научных дисциплин, так и прикладных, в том числе способствуют повышению эффективной подготовки специалистов, предоставляя новые возможности имитации объектов реального мира.

Расчеты в виртуальной среде уменьшают необходимость в дорогостоящих экспериментах, испытаниях, обучении. Создание высоко реалистичных тренажёров позволяет существенно снизить затраты на подготовку высококвалифицированных кадров при повышении общего качества обучения. Таким образом, достигается высокий экономический эффект за счёт предварительного проведения компьютерного моделирования. Это позволяет экономить финансовые ресурсы на реализации физических испытаний и различных экспериментов.

Интерактивные системы виртуальной реальности являются одной из самых широких областей применения компьютерной графики. В системах такого рода важнейшей характеристикой качества является временная эффективность алгоритмов обработки и отображения информации в зависимости от объёма визуализируемых данных. Отображаемая информация обычно представляет собой трёхмерную сцену, состоящую из множества различных объектов. В целях повышения качества этого типа программного обеспечения, множеством

исследователей предложено большое количество способов увеличения временной эффективности алгоритмов визуализации применительно к конкретным отображаемым данным.

В сегодняшних экономических условиях, когда даже мелкий ремонт грозит превратиться в неразрешимую проблему, цена ошибок оперативного персонала производств со сложным технологическим оборудованием многократно возрастает. Особую важность приобретает качественное обучение и постоянное поддержание квалификации и готовности персонала, его противоаварийные тренировки. Компьютерный эксперимент позволяет не только сформировать моторно-рефлекторньте навыки действий в сложных ситуациях, но и наглядно показать физическую сущность протекающих процессов, их взаимную зависимость, а также ряд существенных тонкостей, которым, к сожалению, не всегда придается значение на практике. Компьютерные модели могут также оказать неоценимую помощь при анализе внештатных ситуаций, как с точки зрения накопления статистики, так и путем проведения машинного эксперимента по воспроизведению такой ситуации.

В таких случаях использование математически наиболее точных и комплексных моделей описания объектов и процессов в виртуальной среде может позволить существенно улучшить качество управления в таких системах за счёт использования единых моделей обработки информации, используемых вместо традиционных локальных моделей описания отдельных объектов и процессов с помощью вручную проработанных сценариев их поведения.

Проблема создания модели описания и визуализации динамики жидких сред является одной из наиболее сложных при реализации для современных вычислительных систем и в компьютерной графике реального времени. Такая задача часто возникает при создании систем виртуальной реальности, к которым относятся различные морские симуляторы, тренажеры, системы моделирования. Подобные системы всегда накладывают жёсткие ограничения на сложность используемых методов и алгоритмов, но в то же время, как правило, требуют высоких показателей в качестве и точности результата, при необходимости

«плавной» визуализации информации с частотой не ниже 24 кадров в секунду в отличие от САБ-систем, которые строго ориентированы на локальные сцены: трубы, различные технологические отверстия, оборудование и т.д., где уже есть технологии, позволяющие в режиме реального времени строить модели и визуализировать сцену.

Таким образом задача визуализации жидких сред часто занимает центральное место и имеет большое значение для систем виртуальной реальности. В то же время геометрическое описание процессов распространения гравитационных волн на поверхности жидкости с применением численных методов имеет важное значение для понимания сложных процессов распространения волн. Одним из достоинств геометрических моделей является возможность получения наглядных представлений о рассматриваемых волновых процессах.

В настоящее время для описания жидкостей и их взаимодействий с другими объектами в виртуальной среде используются простые имитационные модели, требующие большого объёма ручной работы при их интеграции в технические системы. В то же время использование имитационных методов имеет ряд ограничений и возможно лишь для ограниченного круга задач. Описание же динамики жидких сред со свободными границами - чрезвычайно трудоёмкая задача и её реализация в системах реального времени известными методами механики жидкостей в настоящий момент невозможна.

Поэтому возникает задача создания новых комплексных моделей, алгоритмов обработки информации и визуализации жидких сред, достаточно эффективных для применения в приложениях реального времени и при этом использующих математические модели механики жидкостей.

Математические основы описания жидких сред были заложены такими исследователями, как Андреев Б.М., Глуховский Б.Х., Давидан И.Н., Крылов Ю.М., Пирсон Д. и многими другими. В настоящее время к разработке новых методов и алгоритмов обработки информации при визуализации жидкостей для систем виртуальной реальности проявляется значительный интерес со стороны

исследователей: Беляева B.C., Бэкера М., Крячко Ю., Митчела Дж., Мюллера М., Тессендорфа Дж., Бродкорба А., Хэссельмана К., Фостера Н. и других.

Создание систем виртуальной реальности требует использования больших вычислительных ресурсов и, следовательно, использования современных многопроцессорных или гетерогенных вычислительных систем. А с ростом сложности систем, возрастает важность вопросов адаптации и оптимизации в них вычислительных процессов, в том числе эффективной организации параллельных вычислений. Общая производительность вычислений, в значительной степени, зависит от применяемых способов управления вычислительным процессом и понимания архитектурных особенностей вычислительных комплексов.

В гетерогенных компьютерах объединены вычислительные устройства различных архитектур: как правило, процессоры общего назначения (CPU-central processing unit) и графические ускорители (GV\J-graphics processing unit). В таких условиях оказалось, что эффективно организовать вычислительный процесс является не самой тривиальной задачей, часто приходится создавать собственные алгоритмы для параллельных вычислений, эффективно загружающие узлы вычислительной системы. Использование GPU для решения задач позволило увеличить производительность вычислений в сотни раз. А вычислительная мощность современных суперкомпьютеров достигает десятков петафлопс. Возникает задача создания эффективных алгоритмов для подобных систем.

Цель диссертационной работы - совершенствование подсистем представления и визуализации жидкостей для систем виртуальной реальности за счёт создания новых моделей и алгоритмов обработки информации, обеспечивающих возможность построения высоко реалистичных изображений в режиме реального времени при использовании моделей вычислительной гидродинамики.

Для достижения поставленной цели были сформулированы и решены следующие задачи:

1. Анализ существующих методов и алгоритмов обработки информации при визуализации жидких сред в системах виртуальной реальности;

2. Разработка модели представления среды, новых методов и алгоритмов синтеза поверхностного волнения, а также динамики жидкой среды;

3. Разработка методов обработки информации и параллельных алгоритмов оптимизации процедуры отображения жидких сред для повышения эффективности управления в системах виртуальной реальности;

4. Программная реализация разработанных алгоритмов визуализации жидкостей для гетерогенных вычислительных систем;

5. Сравнительная оценка эффективности и адекватности предлагаемых методов и алгоритмов.

Объектом исследования являются модельные представления поверхности жидких сред, предназначенные для решения задач визуализации.

Предметом исследования являются методы и алгоритмы обработки информации и визуализации жидких сред в режиме реального времени.

Методология и средства исследования опираются на методы компьютерной графики, математические модели гидродинамики, методы теории вычислительных систем и параллельного программирования, методы системного анализа, принципы и технологии создания проблемно-ориентированных программных комплексов, характеризующиеся интегрированностью моделирующих, информационных и интерфейсных компонент, вычислительный эксперимент.

Степень достоверности результатов проведенных исследований

обеспечивается корректностью проведенных математических преобразований, непротиворечивостью сформированных положений и выводов исследования, установленным ранее фактам теории и практики создания систем виртуальной реальности, построения многопроцессорных систем и повышения их

эффективности, а также соответствием выводов теоретического исследования с результатами вычислительных экспериментов.

Научная новизна

Представленные в диссертационной работе результаты являются новыми и заключаются в следующем:

• разработана гибридная модель представления жидких сред, основанная на совместном использовании имитационных подходов и гидродинамики сглаженных частиц;

• разработан гибридный метод визуализации поверхностных волн для систем виртуальной реальности, использующий разработанную гибридную модель описания жидкой среды;

• разработан метод синтеза поверхностного волнения и визуализации жидкой среды, основанный на обработке информации полученной при спектральном анализе волнения среды и предположении о фрактальной природе поверхностного волнения.

Проделанная работа нашла практическое применение при моделировании волновых процессов океана в разработанной системе визуализации программного комплекса «STAR Sea: Ocean Simulator», зарегистрированного в Реестре программ для ЭВМ, Федеральной службы по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам (Роспатент) от 12 октября 2012 г. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2012619216.

Практическая значимость

Разработанные в диссертационной работе методы и алгоритмы обработки и визуализации информации, а также гибридная модель представления жидких сред использованы при проектировании и программной реализации усовершенствованной системы управления виртуальным окружением и визуализации водной поверхности в режиме реального времени,

оптимизированной для работы в гетерогенных компьютерных системах. Разработанная система может быть использована в различных симуляторах, системах проектирования, графических и мультимедиа приложениях, к которым могут относиться различные системы виртуальной реальности, компьютерные тренажёры и игры.

Положения, выносимые на защиту:

1. Гибридная модель, метод представления и визуализации жидких сред для систем виртуальной реальности, основанный на методах вычислительной гидродинамики, обеспечивающих достаточную точность результатов моделирования;

2. Метод представления и алгоритм синтеза поверхностного волнения жидкой среды, адаптированный для выполнения в гетерогенных компьютерных системах;

3. Результаты вычислительных экспериментов по исследованию работоспособности разработанных алгоритмов, иллюстрирующие их преимущества при обработке информации по сравнению с используемыми в настоящее время;

4. Программная реализация разработанных алгоритмов для гибридных вычислительных систем на основе технологии OpenCL.

Апробация работы

Основные положения и результаты диссертационного исследования докладывались и обсуждались па международных научно-технических конференциях: III Международная научно-техническая конференция «Высокопроизводительные вычисления (HPC-UA'13)» (КПИ, г. Киев, Украина, 2013г.); XXIII Международная научная конференция — «Математические методы в технике и технологиях (ММТТ-23)» (СГТУ, г. Саратов, 2010г.); IV Международная научная конференция — «Информационные технологии в науке, образовании и производстве (ИТНОП-2010)» (ОГТУ, г. Орел, 2010г.,);

Международная научно-практическая конференция - «Молодежь и научно-технический прогресс» (БГТУ им. Шухова, г. Губкин, 2009, 2010, 2011гг.), а так же заседаниях и семинарах кафедры ПОВТАС БГТУ им. Шухова. Результаты работы использовались:

- При описании волновых процессов океана в разработанной системе визуализации программного комплекса «STAR Sea: Ocean Simulator». Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2012619216.

- При выполнении исследовательского проекта: Договор № 8-У/2010 на выполнение НИОКР при поддержке фонда содействия развития малых форм предпринимательства в научно-технической сфере (проект У.М.Н.И.К. «Разработка программного комплекса для моделирования и визуализации динамики движения жидкостей на высоко распараллеленных вычислительных системах»).

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 9 печатных работ, в том числе 3 статьи в изданиях, входящих в «Перечень ведущих научных журналов и изданиях, выпускаемых в Российской Федерации», утвержденных ВАК РФ. По теме диссертационного исследования получено 1 свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, четырёх разделов, разбитых на подразделы, заключения и списка литературы. Содержание диссертации изложено на 125 страницах основного текста, включающего 37 рисунков, 3 таблицы. Список литературы содержит 126 наименований. Структурно диссертация состоит из 4 глав.

Первая глава посвящена анализу основных понятий, особенностей и ограничений в системах виртуальной реальности, анализу существующих

методов, алгоритмов описания жидкостей. Отмечены достоинства и недостатки этих алгоритмов. Рассматриваются особенности архитектуры современной аппаратной базы создаваемых систем виртуальной реальности и организации параллельных вычислений. По результатам проведенного анализа обосновывается необходимость разработки новых методов и алгоритмов описания жидких сред, применимых в многопроцессорных гибридных системах для обеспечения ускорения решения задач.

Во второй главе рассматривается разработанный метод синтеза поверхностного волнения жидкой среды на открытых пространствах. Метод учитывает широко используемое упрощение для представления жидкости, состоящее в том, что за исключением больших и высоких волн, а также прибоев, водная поверхность может быть представлена как двумерный объект или сетка.

В основе предлагаемого подхода, лежат статистическая модель колебаний поверхности жидкой среды и эмпирическая модель на основе шумовых функций Перлина.

В третьей главе рассматривается гибридная модель описания жидких сред, основанная на совместном использовании имитационных подходов и метода ЭРН, описывающего объём жидкой среды и позволяющего визуализировать и принимать во внимание течения, что оказывает существенное влияние на гибкость и настраиваемось различных тренажёров за счёт отказа от создания сценариев поведения судна вручную. В данном исследовании ставится задача сделать очередной шаг в сторону использования моделей гидродинамики в системах виртуальной реальности, так как это позволит сделать изображение более реалистичным и уменьшит трудоемкость подбора параметров в сравнении с существующими методами.

Четвёртая глава посвящена рассмотрению разработанной структуры программного обеспечения, реализующего работу предложенных алгоритмов и сравнительному анализу эффективности предложенной модели по сравнению с известными решениями.

Вся поверхность жидкой среды представляет собой множество связанных сегментов или секторов, количество которых увеличивается пропорционально количеству вычислительных устройств и размеру самой поверхности. Подход подразумевает сведение к минимуму объёма разделяемых ресурсов и соответственно сводит к минимуму вероятность «гонок».

Далее в этой главе приведён анализ эффективности реализации разработанных методов и алгоритмов для визуализации трехмерных виртуальных сцен и сравнительный анализ с другими существующими в настоящий момент подходами.

В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы.

Глава 1. Анализ состояния вопроса в области создания методов описания жидкостей для задач визуализации в системах

виртуальной реальности

1.1. Анализ особенностей систем виртуальной реальности, требования и ограничения, предъявляемые к используемым методам и алгоритмам

Как технический термин, выражение «виртуальная реальность» появилось одновременно с практикой создания, использования компьютерных симуляторов и тренажёров. Данный термин обозначает создаваемое средствами вычислительной техники и компьютерной графики виртуальное окружение, содержащее образы объектов и субъектов реального, материального мира [15].

Сам термин «виртуальная реальность» впервые был введен в обиход американским учёным Джароном Ланье в 1984 году. В настоящий момент термин виртуальной реальности тесно связан и имитационным моделированием, ставшим важным инструментом исследования сложных систем и процессов, которые с трудом или совсем не поддаются формальному описанию. Возникновение и развитие имитационного моделирования, как научной дисциплины, так же тесно связано с развитием и ростом производительности средств вычислительной техники. В целом ряде случаев имитационная модель, реализованная в виртуальной среде, является единственной альтернативой получения информации о поведении объекта и его характеристиках.

С середины 80-х годов, с появлением и развитием технических средств виртуальной реальности в тренажерных системах, произошла практически полная замена материальных объектов внешней среды их виртуальными моделями. Это привело к появлению существенно более эффективных тренажёрных комплексов. В системе виртуальной реальности достигается полное взаимодействие человека с моделируемой средой, благодаря обратной связи, которая может включать в себя практически все аспекты взаимодействия человека с внешним миром.

Одними из таких основных свойств систем виртуальной реальности являются иммерсивность и интерактивность [15]. Наличие этих свойств является необходимым и достаточным условием принадлежности технических комплексов к типу систем виртуальной реальности.

Неотъемлемой частью систем виртуальной реальности является компьютерная графика, в связи с тем, что конечной целью разработки систем виртуальной реальности всегда является достижение эффекта присутствия. Для этого необходимо, чтобы на экране были как можно более реалистично отображены явления и объекты окружающего мира. Трудность их визуализации заключается чаще всего в сложности самих явлений и процессов реального мира, поэтому несоответствие изображения на экране с ним может привести к потере эффекта присутствия.

Современную компьютерную графику можно условно разделить на три раздела: не интерактивная компьютерная графика, интерактивная и графика реального времени. Критерием это разделения является скорость реакции программного приложения на действия пользователя, которая обычно измеряется в количестве кадров, рассчитываемых и визуализируемых приложением за одну секунду.

В системах виртуальной реальности для достоверной визуализации быстро протекающего процесса требуется использование компьютерной графики реального времени, потому как требуется интерактивность при необходимости вмешательства пользователя в рассчитываемый и визуализируемый процесс. Как известно, визуализация плавной анимации возможна при скорости визуализации не менее 25-30 кадров в секунду. При уменьшении скорости визуализации ниже данного предела, человеческий глаз начинает замечать небольшие разрывы в анимации визуализируемых явлений и процессов, что приводит к потере эффекта присутствия. Следовательно, алгоритмы, используемые в графике реального времени, должны выполняться за время не превышающее 30-40мс. Такое требование к быстродействию алгоритмов является критерием по которому

производится отбор моделей и методов, применимых в системах виртуальной реальности.

В первых созданных системах виртуальной реальности для описания явлений и процессов реального мира, из-за низкой производительности оборудования, в основном использовались имитационные модели и методы. Такие методы используют не физические модели, а эмпирически подобранные алгоритмы, целью которых является достижение достаточной реалистичности получаемого изображения. Однако такие алгоритмы имеют один существенный недостаток - большое количество параметров, которые необходимо подбирать эмпирически, что в большинстве случаев оказывается очень трудоемким процессом. Поэтому с появлением более производительных вычислительных систем в системах виртуальной реальности гораздо чаще стали использовать достаточно точные физические модели. Такая тенденция сохраняется до сих пор.

Жидкости относятся к объектам реального мира для которых разработанные физические модели описания и алгоритмы визуализации являются очень сложными и ресурсоёмкими. Для получения реалистичного изображения жидкости необходимо визуализировать как геометрию поверхности, так и учитывать процессы, происходящие на её границе и в толще. При использовании гидродинамической модели описания среды, в большинстве случаев требуются огромные вычислительные ресурсы, что в реальном масштабе времени невозможно на настоящий момент. Поэтому модель следует упростить, но так, чтобы ее поведение в обусловленных техническим заданием рамках соответствовало реальной системе с определенной точностью, достаточной для практического применения в некоторых областях, например, компьютерных морских тренажёрах.

Для проведения экспериментов, изучения физических основ и способов функционирования устройств и поведения кораблей, для проблемного обучения, противоаварийных тренировок и анализа аварий используются динамические тренажеры. Диссертационная работа посвящена созданию методов и алгоритмов применимых для работы в таких динамических тренажёрах.

В сложных тренажёрах с наличием жидких сред, например, тренажёрах навигации судов, когда используется множество моделей описания процессов, становится сложно отслеживать ситуацию и корректно оценивать действия обучаемого. Иногда невозможно однозначно определить последовательность правильных действий, так как они зависят от множества мелких деталей. Поэтому оценка действий обучаемого должна быть интегральной и выводить ее следует из анализа текущего и желаемого состояния модели, а также проверки отдельных запрещенных действий. Такую оценку обеспечивает правильное составление сценария в тренажерах, что может быть очень непростой задачей.

Симуляторы и тренажёры являются сложными техническими системами, область создания компьютерных морских симуляторов достаточно хорошо изучена [9; 104; 117], проведённый анализ теоретических исследований и прикладных разработок даёт возможность представить такую систему виртуальной реальности в виде структуры, приведенной на рисунке 1.1, где каждый блок выполняет свою отдельную задачу. В число таких компонент, как правило, входят блоки визуализации, моделирования поведения объекта симуляции и возможных внештатных ситуаций, моделирования окружающей среды, оценки действий обучаемого и протоколирования, блоки формирования сценариев симуляции или обучения. Блок управления и генерации виртуальной реальности - система реального времени, обеспечивающая планирование, синхронизацию и взаимодействие остальных компонент системы.

В диссертационной работе исследуются блоки визуализации, моделирования внешней среды и природных аномалий, а также блок моделирования динамики объекта, которые обычно являются частью любой системы виртуальной реальности. Эти блоки, как правило, реализуют свои собственные независимые математические модели и алгоритмы работы, результаты работы которых периодически синхронизируются с целью создания реалистичного виртуального окружения. Поэтому такие системы сложны в производстве и настройке. Создание каждого нового сценария для тренировки требует больших трудозатрат и часто ручной работы.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Торгонин, Евгений Юрьевич, 2014 год

Список литературы

1. Волков К.Н. Реализация схемы расщерления на разнесенной сетке для расчета нестационарных течений вязкой несжимаемой жидкости // Вычислительные методы и программирование. 2006. — С. 269-282.

2. Глуховский Б.Х. Исследование морского ветрового волнения. — Ленинград : Гидрометеоиздат, 1966. — 284 с.

3. Давидан И.Н. Частотный спектр ветрового волнения // Труды ГОИН. 1969. №96. — С. 185-210.

4. Давидан И.Н., Лопатухин Л.И., Рожков В.А. Ветер и волны в океанах и морях. Справочные данные. — Ленинград : Транспорт, 1974. — 359 с.

5. Давидан И.Н., Лопатухин Л.И., Рожков В.А. Ветровое волнение как вероятностный гидродинамический процесс. — Ленинград Гидрометеоиздат, 1978. — 287 с.

6. Давидан И.Н., Рожков В.А., Андреев Б.М., Лопатухин Л.И., Трапезников Ю.А. Вероятностные характеристики волнения, методы их анализа и расчета // Труды ГОИН. 1971. Т. 97. — С. 187.

7. Данилов М.В. Методы планирования выполнения задач в системах реального времени // Программные продукты и системы. 2000. № 4. — С. 24-28.

8. Крылов Ю.М., Стрекалов С.С., Цыплухин В.Ф. Ветровые волны и их воздействия на сооружения. — Ленинград:Гидрометеоиздат, 1976. — 254 с.

9. Логиновский В. Основные тенденции в развитии нормативно-правовой деятельности ИМО // Морской флот.Мореплавание. 2006. № 6. — С. 17-23.

10. Нестеров Е.С. Режим, диагноз и прогноз ветрового волнения в морях и океанах. Нестеров, Е. С. — Москва : РосГидроМет, 2013. — 337 с.

11. Пирсон Д. Ветровые волны. — Москва : Изд-во иностр. лит-ры, 1962. — 296 с.

12. Суравикин А.Ю. Реализация метода SPH на CUDA для моделирования несжимаемых жидкостей // Наука и образование. 2012. № 7. — С. 87-106.

13. Флетчер К. Вычислительные методы в динамике жидкостей. — Москва : Мир, 1991. —505 с.

14. Юн А.А. Теория и практика моделирования турбулентных течений. — Москва : URSS, 2009. — 272 с.

15. Юхвид, А.В. Эвристические возможности компьютерных виртуальных технологий: философско-методологический анализ:дис.канд. филос. наук: 09.00.01 / Юхвид Алексей Владимирович. — М., 2003 — 144 с.

16. Adabala N., Manohar S. Techniques for Realistic Visualization of Fluids: A Survey // Computer Graphics Forum. 2002. T. 21. № 1. — P. 65-82.

17. Adams В., Pauly M., Keiser R., Guibas L.J. Adaptively sampled particle fluids // ACM SIGGRAPH 2007 papers. 2007. — P. 48.

18. Andrews J. Designing the Framework of a Parallel Game Engine [Электронный ресурс]. — 2008. — Режим доступа: http://software.intel.com/en-us/articles/ designing-the-framework-of-a-parallel-game-engine, 2008 (дата обращения: 28.08.2013).

19. Becker М., Teschner М. Weakly compressible SPH for free surface flows // Proceedings of the 2007 ACM SIGGRAPH/Eurographics symposium on Computer animation. 2007. — P. 209-217.

20. Blumberg A.F., Mellor G.L. A description of a three-dimensional coastal ocean circulation model // Three-Dimensional Coastal Ocean Models. Coastal Estuarine Sci T. 4. Heaps N. — Washington : American Geophysical Union, 1987. —P. 1-16.

21. Bouws E., Gunther H., Rosenthal W., Vincent C.L. Similarity of the Wind Wave Spectrum in Finite Depth Water 1. Spectral Form // J. Geophys. Res. 1985. T. 90. № CI. — P. 975-986.

22. Bridson R., Muller-Fischer M. Fluid simulation // ACM SIGGRAPH 2007 course notes. 2007. — P. 1-81.

23. Brodtkorb A.R., Dyken C., Hagen T.R., Hjelmervik J.M., Storaasli O.O. State-of-the-art in heterogeneous computing // Journal of Scientific Programming. 2010. T. 18. № 1, —P. 1-33.

24. Browing A. A mathematical model to simulate small boat behaviour // Simulation. 1991. № 56. — P. 329-336.

25. Carlson M., Mucha P.J., Turk G. Rigid fluid: animating the interplay between rigid bodies and fluid // ACM SIGGRAPH 2004 Papers. 2004. — P. 377-384.

26. Chen H., Li Q., Wang G., Zhou F., Tang X., Yang K. An efficient method for real-time ocean simulation // Proceedings of the 2nd international conference on Technologies for e-learning and digital entertainment. 2007. — P. 3-11.

27. Chen J.X., Lobo N.d.V. Toward interactive-rate simulation of fluids with moving obstacles using Navier-Stokes equations // Graph. Models Image Process. 1995. T. 57. №2. —P. 107-116.

28. Chorin A.J. Numerical solution of the Navier-Stokes equations // Math. Comp. 1968. №22. — P. 745-762.

29. Chou C.-T., Fu L.-C. Ships on real-time rendering dynamic ocean applied in 6-dof platform motion simulator // Proceedings of the CACS International Conference. 2007. —P. 1162-1167.

30. Cieutat J.-M., Gonzato J.-C., Guitton P. A general ocean waves model for ship design // Virtual Concept. 2003.

31. Clavet S., Beaudoin P., Poulin P. Particle-based viscoelastic fluid simulation // Proceedings of the 2005 ACM SIGGRAPH/Eurographics symposium on Computer animation. 2005. —P. 219-228.

32. Cleary P.W., Monaghan J.J. Conduction modelling using smoothed particle hydrodynamics // Comput. Phys. 1999. № 148. — P. 227-264.

33. Cui X., Yicheng J., Xiuwen L. Real-time ocean wave in multi-channel marine simulator // Proceedings of the 2004 ACM SIGGRAPH international conference on Virtual Reality continuum and its applications in industry. 2004. — P. 332335.

34. Cummins S.J., Rudman M. An SPH projection method // Comput. Phys. 1999. № 152. —P. 584-607.

35. Darles E., Crespin B., Ghazanfarpour D. Accelerating and enhancing rendering of realistic ocean scenes // Proceedings of the WSCG. 2007. T. 15. — P. 287-294.

36. Desbrun M., Cani M.-P. Space-Time Adaptive Simulation of Highly Deformable Substances. 1999.

37. Desbrun M., Gascuel M.-P. Smoothed particles: a new paradigm for animating highly deformable bodies // Proceedings of the Eurographics workshop on Computer animation and simulation '96. 1996. —P. 61-76.

38. Dominguez J.M., Crespo A.J.C., Gomes-Gesteira M., Marongiu J.-C. Neighbour lists in smoothed particle hydrodynamics // International Journal for Numerical Methods in Fluids. 2011. T. 67. № 12. — P. 2026-2042.

39. Enright D., Marschner S., Fedkiw R. Animation and rendering of complex water surfaces // ACM Trans. Graph. 2002. T. 21. № 3. — P. 736-744.

40. Fang M., Lin K., Shu Z. An indigenous pc-based ship simulator incorporating the hydrodynamic numerical model and virtual reality technique // Journal of the Society of Naval Architects and Marine Engineers. 2004. № 23. — P. 87-95.

41. Finch M. Effective Water Simulation from Physical Models // GPU Gems Fernando R. : Addison-Wesley, 2004. — P. 5-29.

42. Foster N., Fedkiw R. Practical animation of liquids // Proceedings of the 28th annual conference on Computer graphics and interactive techniques. 2001. — P. 23-30.

43. Foster N., Metaxas D. Controlling Fluid Animation // Proceedings of the 1997 Conference on Computer Graphics International. 1997. — P. 178.

44. Foster N., Metaxas D. Realistic animation of liquids // Graph. Models Image Process. 1996. T. 58. № 5. — P. 471-483.

45. Fournier A., Reeves W.T. A simple model of ocean waves // SIGGRAPFI Comput. Graph. 1986. T. 20. № 4. — P. 75-84.

46. Frechot J. Realistic simulation of ocean surface using wave spectra // GRAPP 2006: Proceedings of the First International Conference on Computer Graphics Theory and Applications. 2006. — P. 76-83.

47. Frisch U., d'Humieres D., Hasslacher B., Lallemand P., Pomeau Y., Rivet J.P. Lattice gas hydrodynamics in two and three dimensions // Complex System. 1987. T. 1. —P. 649-707.

48. Gamito M., Musgrave F. An accurate model of wave refraction over shallow water// Computers & Graphics. 2002. T. 26. —P. 291-307.

49. Gonzato J.-C., Le Saec B. On modelling and rendering ocean scenes // The Journal of Visualization and Computer Animation. 2000. T. 11. № 1. — P. 2737.

50. Gonzato J.-C., Saec B.L. On modeling and rendering ocean scenes (diffraction, surface tracking and illumination) // Proceedings of the WSCG. 1999. T. 7. — P. 93-101.

51. Greenwood S.T., House D.H. Better with bubbles: enhancing the visual realism of simulated fluid // Proceedings of the 2004 ACM SIGGRAPH/Eurographics symposium on Computer animation. 2004. — P. 287-296.

52. Harlow F.H., Welch J.E. Numerical calculation of time-dependent viscous incompressible flow of fluid with free surface // Physics of Fluids. 1965. T. 8. — P. 2182-2189.

53. Hasselmann K., Barnett T.P., Bouws E., Carlson H. Measurements of wind-wave growth and swell decay during the joint north sea wave project (JONSWAP) // Hydraulic Engineering Report. 1973.

54. Hinsinger D., Neyret F., Cani M.-P. Interactive animation of ocean waves // Proceedings of the 2002 ACM SIGGRAPH/Eurographics symposium on Computer animation. 2002. —P. 161-166.

55. Hong W., House D.H., Keyser J. Adaptive particles for incompressible fluid simulation // The Visual Computer. 2008. T. 24. № 7. — P. 535-543.

56. Hu Y., Velho L., Tong X., Guo B., Shum H. Realistic, real-time rendering of ocean waves: Research Articles // Computer Animated Virtual Worlds. 2006. T. 17. № 1, —P. 59-67.

57. Isidoro J., Vlachos A., Brennan C. Rendering ocean water // Direct3D ShaderX: Vertex and Pixel Shader Tips and Tricks Engel W. — Piano, TX, USA : Wordware Publishing, Inc., 2002.

58. Issa R. Numerical assessment of the smoothed particle hydrodynamics gridless method for incompressible flows and its extension to turbulent flows. — PhD thesis report: UMIST, 2005.

59. Jensen L., Golias R. Deep Water Animation and Rendering // Proceedings of the Game Developper's Conference Europe '01. 2001.

60. Johanson C. Real-Time Water Rendering - Introducing the Projected Grid Concept. : Lund University, 2004.

61. Joseph M. Finding Response Times in a Real-Time Systems // BCS Computer Journal. 1986. —P. 390-395.

62. Kass M., Miller G. Rapid, stable fluid dynamics for computer graphics // SIGGRAPH Comput. Graph. 1990. T. 24. № 4. — P. 49-57.

63. Kim J., Cha D., Chang B., Koo B., Ihm I. Practical animation of turbulent splashing water // Proceedings of the 2006 ACM SIGGRAPH/Eurographics symposium on Computer animation. 2006. — P. 335-344.

64. Kinsman B. Wind Waves: Their Generation and Propagation on the Ocean Surface. — Englewood Cliffs, New Jersey : Prentice-Hall Inc., 1965.

65. Kleefsmann K., Fekken G., A. V., Iwanowski B., Buchner B. A Volume-of-Fluid based simulation method for wave impact problems // Journal of Computational Physics. 2005. № 206. — P. 363-393.

66. Koshizuka S., Oka Y. Moving-Particle Semi-Implicit Method for Fragmentation of Incompressible Fluid //Nuclear Science and Engineering. 1996. T. 123. —P. 421-434.

67. Kryachko Y. Using vertex texture displacement for realistic water rendering // GPU Gems 2 T. 2. Fernando R. : Addison-Wesley, 2005. — P. 283-294.

68. Lachman L. An open programming architecture for modeling ocean waves // Proceedings of the IMAGE Conference. 2007.

69. Lee H.-M., Go C.A., Lee H.-M. A frustum-based ocean rendering algorithm // Proceedings of the 9th Pacific Rim international conference on Agent Computing and Multi-Agent Systems. 2006. — P. 584-589.

70. Lee H.-M., Go C.A., Lee W.-H. An Efficient Algorithm for Rendering Large Bodies of Water // Entertainment Computing - ICEC 2006 T. 4161. Harper R., Rauterberg M., Combetto M. : Springer Berlin Heidelberg, 2006. — P. 302-305.

71. Lee N., Baek N., Ryu K. Real-Time Simulation of Surface Gravity Ocean Waves Based on the TMA Spectrum // Computational Science - ICCS 2007 T. 4488. Shi Y., Albada G., Dongarra J., Sloot P.A. — Beijing, China : Springer Berlin Heidelberg, 2007. —P. 122-129.

72. Lehoczky J.P. Fixed Priority Scheduling of Periodic Task Sets With Arbitrary Deadlines//11th IEEE RTS Symposium. 1990. —P. 201-209.

73. Lorensen W.E., Cline H.E. Marching cubes: A high resolution 3D surface construction algorithm // SIGGRAPH Comput. Graph. 1987. T. 21. № 4. — P. 163-169.

74. Losasso F., Gibou F., Fedkiw R. Simulating water and smoke with an octree data structure // ACM Trans. Graph. 2004. T. 23. № 3. — P. 457-462.

75. Losasso F., Shinar T., Selle A., Fedkiw R. Multiple interacting liquids // ACM Trans. Graph. 2006. T. 25. № 3. — P. 812-819.

76. Losasso F., Talton J., Kwatra N., Fedkiw R. Two-Way Coupled SPH and Particle Level Set Fluid Simulation // IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics. 2008. T. 14. № 4. — P. 797-804.

77. Lucy L.B. A numerical approach to the testing of the fission hypothesis // Astronomy Journal. 1977. T. 82. № 12. — P. 1013-1024.

78. Marrone S., Colagrossi A., Le Touze D., Graziani G. Fast free-surface detection and level-set function definition in SPH solvers // Journal of Computational Physics. 2010. № 229. — P. 3652-3663.

79. Mastin G.A., Watterberg P. A., Mareda J.F. Fourier Synthesis of Ocean Scenes // IEEE Computer Graphics and Applications. 1987. T. 7. № 3. — P. 16-23.

80. Max N.L. Vectorized procedural models for natural terrain: Waves and islands in the sunset //SIGGRAPH Comput. Graph. 1981. T. 15. № 3.— P. 317-324.

81. Mihalef V., Metaxas D., Sussman M. Animation and control of breaking waves // Proceedings of the 2004 ACM SIGGRAPH/Eurographics symposium on Computer animation. 2004. —P. 315-324.

82. Miller G., Pearce A. Globular dynamics: A connected particle system for animating viscous fluids // Computers & Graphics. 1989. T. 13. № 3. — P. 305-309.

83. Mitchell J. Real-Time Synthesis and Rendering of Ocean Water // Technical Report. 2005.

84. Monaghan J.J. Simulating free surface flows with SPH // Comput. Phys. 1994. № 110. —P. 399-406.

85. Monaghan J.J. Smoothed particle hydrodynamics // Annual Review of Astronomy and Astrophysics. 1992. T. 30. —P. 543-574.

86. Moms J.P., Fox P.J., Zhu Y. Modeling low Reynolds number incompressible flows using SPH // Comput. Phys. 1997. № 136. — P. 214-226.

87. Moulinec C., Issa R., Marongiu J.-C., Violeau D. Parallel 3-D SPH Simulations // CMES. 2008. № 1. — P. 11-22.

88. Muller M., Charypar D., Gross M. Particle-based fluid simulation for interactive applications // Proceedings of the 2003 ACM SIGGRAPH/Eurographics symposium on Computer animation. 2003. —P. 154-159.

89. Muller M., Solenthaler B., Keiser R., Gross M. Particle-based fluid-fluid interaction // Proceedings of the 2005 ACM SIGGRAPH/Eurographics symposium on Computer animation. 2005. — P. 237-244.

90. O'Brien J.F., Hodgins J.K. Dynamic simulation of splashing fluids // Proceedings of the Computer Animation. 1995. —P. 198.

91. Pauline Y.T.o., Barsky B.A. Modeling and rendering waves: wave-tracing using beta-splines and reflective and refractive texture mapping // ACM Trans. Graph. 1987. T. 6. №3. —P. 191-214.

92. Peachey D.R. Modeling waves and surf// SIGGRAPH Comput. Graph. 1986. T. 20. №4.—P. 65-74.

93. Perlin K. An image synthesizer // SIGGRAPH Comput. Graph. 1985. T. 19. № 3. —P. 287-296.

94. Pierson W.J.J., Moskowitz L. A Proposed Spectral Form for Fully Developed Wind Seas Based on the Similarity Theory of S. A. Kitaigorodskii // J. Geophys. Res. 1964. T. 69. № 24. — P. 5181 -5190.

95. Premoze S., Ashikhmin M. Rendering Natural Waters // Proceedings of the 8th Pacific Conference on Computer Graphics and Applications. 2000. — P. 23.

96. Premoze S., Tasdizen T., Bigler J., Lefohn A., Whitaker R.T. Particle-Based Simulation of Fluids // Computer Graphics Forum. 2003. T. 22. № 3. — P. 401410.

97. Radovitzky R., Ortiz M. Lagrangian finite element analysis of Newtonian fluid flows // International Journal for Numerical Methods in Engineering. 1998. T. 43. №4. —P. 607-619.

98. Reeves W.T. Particle Systems: a Technique for Modeling a Class of Fuzzy Objects // ACM Trans. Graph. 1983. T. 2. № 2. — P. 91-108.

99. Robine M., Frechot J. Fast Additive Sound Synthesis for Real-time Simulation of Ocean Surface // Proceedings of the International Conference on Systems, Signals and Image Processing (IWSSIP). 2006. —P. 223-226.

100. Salgado A., Conci A. On the simulation of ocean waves in real-time using the GPU // Proceedings of the Brazilian Symposium on Computer Graphics and Image Processing (SIBGRAPI). 2007.

101. Schachter B. Long crested wave models // Computer Graphics and Image Processing. 1980. T. 12. №2.—P. 187-201.

102. Schneider J., Westermann R. Towards Real-Time Visual Simulation of Water Surfaces // Proceedings of the Vision Modeling and Visualization Conference 2001. 2001. —P. 211-218.

103. Shao S., Lo E.Y. Incompressible SPH method for simulating Newtonian and non-Newtonian flows with a free surface // Adv. Water Resour. 2003. № 26. — P. 787-800.

104. Shi C J., Chen J.B., Hu Q.Y. Global networking for development and application of shiphanding simulators // Journal of Shanghai Maritime University. 2010. T. 1. № 28. — P. 1-6.

105. Solenthaler B., Pajarola R. Predictive-corrective incompressible SPH // ACM Trans. Graph. 2009. T. 28. № 3. — P. 1-6.

106. Stam J., Fiume E. Depicting fire and other gaseous phenomena using diffusion processes // Proceedings of the 22nd annual conference on Computer graphics and interactive techniques. 1995. —P. 129-136.

107. Stora D., Agliati P.-O., Cani M.-P., Neyret F., Gascuel J.-D. Animating lava flows // Proceedings of the 1999 conference on Graphics interface '99. 1999. — P. 203-210.

108. Takahashi T., Fujii H., Kunimatsu A., Hiwada K., Saito T., Tanaka K., Ueki H. Realistic Animation of Fluid with Splash and Foam // Computer Graphics Forum. 2003. T. 22. № 3. — P. 391-400.

109. Terzopoulos D., Piatt J., Fleischer K. Heating and melting deformable models // Journal of Visualization and Computer Animation. 1991. T. 2. № 2. — P. 68-73.

110. Tessendorf J. Simulating Ocean Surface // The elements of nature: interactive and realistic techniques. ACM SIGGRAPH 2004 Course Notes. 2004.

111. Thon S., Dischler J.-M., Ghazanfarpour D. Ocean Waves Synthesis Using a Spectrum-Based Turbulence Function // Proceedings of the International Conference on Computer Graphics. 2000. — P. 65.

112. Thon S., Ghazanfarpour D. Ocean waves synthesis and animation using real world information // Computers & Graphics. 2002. T. 26. № 1. — P. 99-108.

113. Thurey N., Muller-Fischer M., Schirm S., Gross M. Real-time BreakingWaves for Shallow Water Simulations // Proceedings of the 15th Pacific Conference on Computer Graphics and Applications. 2007. — P. 39-46.

114. Thurey N., Rude U., Stamminger M. Animation of open water phenomena with coupled shallow water and free surface simulations // Proceedings of the 2006 ACM SIGGRAPH/Eurographics symposium on Computer animation. 2006. — P. 157-164.

115. Thurey N., Sadlo F., Schirm S., Muller-Fischer M., Gross M. Real-time simulations of bubbles and foam within a shallow water framework // Proceedings of the 2007 ACM SIGGRAPH/Eurographics symposium on Computer animation. 2007. — P. 191-198.

116. Tonnesen D. Modeling Liquids and Solids using Thermal Particles // Proceedings of Graphics Interface'91. 1991. —P. 255-262.

117. Transas.Inc. Transas Navigational Simulator NTPro 4000 User Manual. 2010.

118. Van Der Vorst H.A. Bi-CGSTAB: A fast and smoothly converging variant ofBi-CG for the solution of nonsymmetric linear systems // Sci. Stat. Comput. 1992. № 13. —P. 631-644.

119. Wang H., Mucha P.J., Turk G. Water drops on surfaces // ACM Trans. Graph. 2005. T. 24. № 3. — P. 921-929.

120. Wang Q., Zheng Y., Chen C., Tadahiro F., Chiba N. Efficient rendering of breaking waves using MPS method // Journal of Zhejiang University SCIENCE A. 2006. T. 7. № 6. — P. 1018-1025.

121. Xin Z., Xia L.F., ShouYi Z. Real-time and realistic simulation of large-scale deep ocean surface // Proceedings of the 16th international conference on Advances in Artificial Reality and Tele-Existence. 2006. — P. 686-694.

122. Yan H., Wang Z., He J., Chen X., Wang C., Peng Q. Real-time fluid simulation with adaptive SPH // Computer Animation and Virtual Worlds. 2009. T. 20. №2-3. —P. 417-426.

123. Yoon H., Koshizuka S., Oka Y. A particle gridless hybrid method for incompressible flows // International Journal of Numerical Methods in Fluids. 1999. T. 30. № 4. — P. 407-424.

124. Yuksel C., House D.H., Keyser J. Wave particles // ACM Trans. Graph. 2007. T. 26. №3. —P. 99.

125. Yung-feng C. GPU-based Ocean Rendering // Proceedings of the IEEE International Conference on Multimedia and Expo. 2006. —P. 2125-2128.

126. Zheng W., Yong J.-H., Paul J.-C. Simulation of bubbles // Proceedings of the 2006 ACM SIGGRAPH/Eurographics symposium on Computer animation. 2006. —P. 325-333.