Разработка методов и технологии обработки трехмерных изображений с применением шейдерной графики тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.01, кандидат технических наук Буй Тхе Чуен

• Буй Тхе Чуен
• кандидат технических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат технических наук Буй Тхе Чуен

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1 СОВРЕМЕННЫЕ СПОСОБЫ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ТРЕХМЕРНОЙ ДИЙАМИЧЕСКОЙ ГРАФИКИ.

1.1 ВВЕДЕНИЕ.

1.1.1 АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ТРЕХМЕРНЫХ ФОРМ В ИНТЕРНЕТ.

1.1.2 ИНТЕРАКТИВНАЯ 2D АНИМАЦИЯ - Flash.

1.1.3 ТЕХНОЛОГИИ VRML, X3D.

1.2 ОСОБЕННОСТИ VRML, X3D.

1.2.1 ВОЗМОЖНОСТИ ОПИСАНИЯ СЛОЖНЫХ ФОРМ.

1.2.2 ИНТЕРАКТИВНОСТЬ.

1.3 АВТОМАТИЗАЦИЯ СОЗДАНИЯ ТРЕХМЕРНЫХ СЦЕН.

ГЛАВА 2 ШЕЙДЕРНАЯ ГРАФИКА - ЯЗЫК HLSL.

ВВЕДЕНИЕ.

2.1 ВЕРШИННЫЙ ШЕЙДЕР - VERTEX SHADER.

2.2 ПИКСЕЛЬНЫЙ ШЕЙДЕР - PIXEL SHADER.

2.3 ВЫСОКОУРОВНЕВЫЙ ШЕЙДЕРНЫЙ ЯЗЫК.

2.3.1 ЯЗЫК ВЫСОКОГО УРОВНЯ ДЛЯ ПРОГРАММИРОВАНИЯ ШЕЙДЕРОВ - HIGH LEVEL SHADING LANGUAGE - HLSL.

2.3.2 GLSL - OpenGL SHADING LANGUAGE.

ГЛАВА 3 СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ГЕНЕРАЦИИ ТРЕХМЕРНЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ШЕЙДЕРНОЙ ГРАФИКИ.

ВВЕДЕНИЕ.

3.1 ОПИСАНИЕ ШАБЛОНОВ И ТЕКСТУР.

3.1.1 ШАБЛОНЫ.

3.1.2 ТЕКСТУРЫ.

3.2 ПОЛЬЗОВАТЕЛЬСКИЙ ИНТЕРФЕЙС СИСТЕМЫ.

3.3 СТРУКТУРА ПРОГРАММЫ.

3.4 ОГРАНИЧЕНИЯ СОВМЕСТИМОСТИ ЭФФЕКТОВ И ШАБЛОНОВ СЦЕН.

3.5 ОРГАНИЗАЦИЯ ХРАНЕНИЯ ДАННЫХ СИСТЕМЫ.

3.6 МЕТОДИКА ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СИСТЕМЫ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка методов и технологии обработки трехмерных изображений с применением шейдерной графики»

В настоящее время в связи со стремительным развитием Интернет-технологий повышаются требования к возможностям представления и обработки контента, в том числе мультимедийного. Сейчас стала возможной передача по сети 3D сцен, обладающих следующими качествами:

- динамичность.

- интерактивность.

- фотореалистичность.

Разработка форматов и методов быстрой передачи высококачественных изображений по сети Интернет весьма является актуальной задачей.

В работе рассматриваются основные существующие форматы представления фотореалистичных динамических изображений в сети Интернет и делается вывод о перспективности представления эффектов освещенности, прозрачности, текстурирования, а также анимационных эффектов в процедурной форме на языке шейдерной графики.

Шейдером (англ. shader) называется микропрограмма, предназначенная для выполнения графическим процессором в финальных стадиях графического конвейера. При обработке списка вершин полигонов выполняются так называемые вершинные шейдеры, при обработке пикселей изображения - пиксельные. Вершинные шейдеры наиболее удобны для задания анимационных эффектов и вычисления параметров освещенности в вершинах, пиксельные - для создания атмосферных эффектов, для использования усложненных моделей расчета освещения. Появившиеся за последние годы шейдерные языки высокого уровня (HLSL [1]-High Level Shader Language для DirectX фирмы Microsoft, GLSL для OpenGL, CG -фирмы NVidia) существенно упростили процесс программирования графических процессоров, сделав доступным использование управляющих конструкций и функций, сходных с имеющимися в обычных универсальных языках программирования, таких как С или С#.

Основным преимуществом использования шейдерной графики при передаче изображений по сети Интернет является компактность процедурного описания анимационных и изобразительных эффектов по сравнению с передачей растровых изображений (даже в сжатом состоянии).

Очевидным недостатком такого представления является необходимость наличия на клиентском компьютере (т.е. компьютере, где просматривается изображение) видеокарты, поддерживающей выполнение шейде-ров. Однако, следует заметить, что шейдерная технология в компьютерной графике успешно развивается, о чем свидетельствует появление уже третьего поколения графических процессоров, поддерживающих шейдеры и то, что поддержка шейдеров стала фактическим стандартом для современных графических карт.

Конечно, передача изобразительных и анимационных эффектов в шейдерном виде ориентирована, в первую очередь, на сцены, сгенерированные компьютерами, например, на компьютерную визуализацию результатов научных исследований или изображения виртуальных миров. Возможность передачи шейдерных программ в Интернет наряду с координатами вершин полигональной сетки и другой информацией предусмотрена в стандарте X3D (www.web3d.org), являющимся дальнейшим развитием языка моделирования виртуальной реальности VRML.

Диссертация состоит из трех разделов. Первый раздел посвящен анализу современных способов представления трехмерной динамической графики. Рассмотрена задача передачи динамических изображений по сети Интернет для различных типов математических описаний трехмерных сцен.

Во втором разделе рассматривается возможность использования современных языков и систем программирования графических процессоров для компактного представления анимационных и графических эффектов, обеспечивающих наглядность и реалистичность изображений.

В третьем разделе рассматривается предложенная автором диссертационного исследования система генерации трехмерных динамических изображений, использующих шейдерную графику.

Заключение диссертации по теме «Системный анализ, управление и обработка информации (по отраслям)», Буй Тхе Чуен

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Основным преимуществом использования шейдерной графики при передаче изображений по сети Интернет является компактность процедурного описания анимационных и изобразительных эффектов по сравнению с передачей растровых изображений (даже в сжатом состоянии).

В ходе выполнения диссертационного исследования на актуальную тему разработки форматов и методов быстрой передачи высококачественных изображений по сети Интернет разработан метод генерации и передачи по сети Интернет динамических фотореалистичных изображений трехмерных сцен, основанный на процедурном представлении графических и анимационных эффектов, реализованный в форме действующего прототипа системы автоматизированной генерации анимированных фотореалистичных изображений трехмерных сцен.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Буй Тхе Чуен, 2008 год

1. Научные статьи из журналов или с конференций.

2. А.Б.Семенов. Программирование графических процессоров с использованием Direct3D и HLSL.www.microsoft.com/Rus/Msdnaa/Curricula/Default.mspx

3. Александр Третьяк. Технологии эффективного рендеринга геометрии.

4. Anton Yakubenko, Anton Konouchine, Vladimir Vezhnevets. Image-based 3D Reconstruction of Generalized Box with User Sketches.

5. Анатолий Белов. Вершинные шейдеры.

6. Atom. Третье измерение Сети. С чем едят VRML.

7. Буй Тхе Чуен, С.С. Крылов, «Применение стандарта X3D для создания интерактивных 3D иллюстраций в системах дистанционного обучения» ВМСППС-2005г., с.91- с.92.

8. Буй Тхе Чуен, «Преставление динамических ЗО-изображений в сети Интернет с использованием шейдерной графики и формата X3D» Труды VI Всероссийской конференции 2007г, «Технологии Microsoft в теории и практике программирования», с.96 с.97.

9. Буй Тхе Чуен, С.С. Крылов, «Система генерации динамических трехмерных изображений с применением шейдерной графики для исполь-зовагия в сети Интернет». Вестник МАИ, Т.15, № 4, 2008г.

10. Blinn J.F, Newell М.Е. Texture and Reflection for computer-synthesized picters. Computer graphics, 1977, p.192-198.

11. Веб-сайт NVIDIA Developer. NVIDIA Shader Library.http://developer.download.nvidia.com/shaderlibrary/webpages/shaderlibra ry.html

12. Gabor Renner. Graphic and Geometric Tools for Analyzing Morphology of the Human Knee.

13. Gouraul H. Computer display of cured sufaces. IEEE Trans. Computers, 1971, p.623-628.

14. Heckbert P.S. Survey of texture mapping. IEEE Computer graphics and applications, 1986, p. 56-67.

15. Иннокентий, Paronator. Программирование шейдеров на HLSL.

16. Ildar V, Valiev. 3D Reconstruction of Architectural Objects from Photos.

17. Kajiya J.T. The rendering equation. Computer graphics, 1986, p. 143-150.

18. Lasseter J. Principles of Traditional Animation Applied to 3D Computer Animation. Computer Graphics, 1987.

19. Lorensen W.E, Clin H.E. A high resolution 3D surface construction algorithm. Computer graphics, 1987, p. 163-169.

20. Nappy. Области применения шейдеров.

21. П.Б.Панфилов, А.А.Никитин. Перспективы трехмерного Интернета для построения интерактивных сетевых приложений. Электронный журнал «Качество 21 век» 2004г.http://www.quality21.ru/index.php?module=subjectstezis&func=printpage &pageid=335&scope=all

22. Разработана новая спецификация трехмерного Интернета. Электронный журнал «Business online»http://www.i-b.ru/index.html?nid=26838&t=27&page=l

23. Paul Spencer. XML Design and Implementation. Wrox Press Ltd. 2001.

24. Philip Taylor "Programmable Shaders for Direct 8.0", Программные шейдеры Direct3D. Опубликовано 15 января 2001.

25. Potiy О.A., Anikanov A.A. Rostov State University. GPU-Based Texture Flow Visualization.'

26. S. Kim, D. Kwon, T. Park, B. Choi. A simple event model in Java3D-based VRML browser.

27. C.C. Крылов, Буй Txe Чуен, «Использование шейдерной графики при передаче изображений по сети Интернет» NPNJ 2006, с.217 с.218.

28. Сергей Гайдуков. Введение в HLSL.

29. Semakin М.М. Motion synthesis method in 3D computer animation tasks.

30. Vladimir A. Knyaz, Sergey Yu. Zheltov. Photogrammetric method of virtual model generation for complex 3D objects geometric modeling.

31. Whitted T. An improved illumination model for shaded display. Communications of ACM, 1980, p. 343-348.

32. Шикин. E.B, Боресков A.B. Компьютерная графика. Динамика, реалистические изображения. Диалог-МИФИ, 1995.1. Техническая документация

33. Веб-сайт «Hardware Guide» http://www.hwguide.net/editorial/shaders/index.html

34. Веб-сайт MSDN, Programming Guide for HLSL. http://msdn2.microsoft.com/en-us/library/bb509635.aspx

35. Веб-сайт MSDN, Language Syntax (DirectX HLSL) http://msdn2.microsoft.com/en-us/library/bb509615.aspx

36. Веб-сайт MSDN, Shader Models (DirectX HLSL) http://msdn2.microsoft.com/en-us/library/bb509626.aspx

37. Веб-сайт MSDN, Intrinsic Functions (DirectX HLSL) http://msdn2.microsofit.com/en-us/library/bb509611.aspx

38. Веб-сайт Wikipedia, High Level Shader Language http ://en. wikipedia.org/wiki/HLSL

39. Kovatch P.J. The Awesome Power of Direct3D/DirectX. Manning Publications Company, 1997.

40. Shawn Hargreaves. Generating Shaders From HLSL Fragments. 2004,

41. Описание ссылки. 3Dlabs developer Веб-сайт. http://www.3dIabs.com/support/developer.1. Учебники, пособия

42. Аврамова О.Д. Язык VRML практическое руководство. Москва, Диалог-Мифи, 2000.

43. Adrian Scott. Getting Started in VRML.

44. Andrea L. Ames, David R. Nadeau and John L. Moreland. VRML 2.0 Sourcebook. John Wiley & Sons, 1997.

45. Александр Печерский. Просмотр XML документов.

46. Алексей Поляков. Методы и алгоритмы компьютерной графики в примерах на Visual С++. Санкт-Петербург, БХВ-Петербург, 2000.

47. Антон В. Звягинцев. Обзор DirectX9. Веб-сайт GameDev.ru http://www.gamedev.ru/articles/?id= 10103

48. В. Белунцов. Macromedia Flash 5: Анимация в Интернете. Москва, ДЕСС КОМ, 2001.

49. Валерий Алексеевич Жарков. Компьютерная графика, мультимедиа и игры на Visual С# 2005. Москва, Жарков Пресс, 2005.

50. Введение в VRML 2.0. Веб-сайт http://www.marstu.mari.ru:8101/mmlab/home/VRML/index.htm

51. Веб-сайт Okino Home Page. X3D, Classic VRML, VRML 2.0, VRML 1.0 & Inventor2 Exporter.http://www.okino.com/conv/expvrml.htm

52. Bernie Roehl, Justin Couch, Cindy Reed-Ballreich, Tim Rohaly, and Geoff Brown. Late Night VRML 2.0 with Java. ZD Press, 1997.

53. Chang Li. HLSL Introduction. http://www.neatware.com/lbstudio/web/hlsl.html

54. Create Vertex Buffer Tutorial. Веб-сайтhttp://pluralsight.com/wiki/default.aspx/Craig.DirectX/CreateVertexBuffer Tutorial.html.

55. Эд Титтел, Клэр Сандерс, Чарли Скотт, Поль Вольф. Создание VRML-миров. Киев. Издательская группа BHV 1997.

56. Эдвард Эйнджел. Интерактивная компьютерная графика. Перевод с английского и редакция канд.техн.наук В.Т. Тертышного. Издательский дом «Вильяме». Москва-Санкт-Петербург-Киев. 2001.

57. Е.В. Шинкин, А.В. Боресков. Компьютерная графика Полигональные модели. Москва, Диалоги-Мифи, 2000.

58. Hartman J, Wernecke J. The VRML 2.0 Handbook. Addison-Weslay, Readind MA, 1996.

59. Jed Hartman and Josie Wernecke. The VRML 2.0 Handbook: Building Moving Worlds on the Web. Addison-Wesley, 1996.

60. Программирование шейдеров на HLSL. http://www.gamedev.ru/articles/?id=l 0109

61. Максим Авдеев. Учебник по VRML 97. Электронный журнал «CitCity Новая деловая газета» 2000г.http://www.citforum.ru/internet/vrml97/index.shtml

62. Максим Каверин. Основы шейдеров. Веб-сайт http://www.progz.ru/articles.php?view=79

63. Максим Сергеевич. Текстурирование. Веб-сайт GameDev.ru http://www.gamedev.ru/articles/?id=l 0016

64. Михаил Фленов. DirectX и С++ искусство программирования. Санкт-Петербург, БХВ-Петербург, 2006.

65. Михаил Хабров. Создание детальных текстур с помощью mip-map уровней в Direct3D8. Веб-сайт GameDev.ruhttpV/www.gamedev.ru/articles^id^l 0101

66. Натанья Питц-Моултис, Черил Кирк. XML Современная технология создания документов для Интернет. Санкт-Петербург, CDHV, 2000.

67. Окрасса Уоррен. Director 8.5/МХ Самоучитель. Shockware Studio: Пер. с англ. М.: ДМК Пресс, 20031

68. Основы шейдеров. Веб сайт: http://porti.ru/?module=articles&id=466

69. С. Холзнер. Энциклопедия XML. Москва, Питер, 2004.

70. Сергей Ваткин. Первая программа под DirectX9. Веб-сайт GameDev.ru http://www.gamedev.ru/articles/?id= 10102

71. Сергей Гайдуков. Введение в HLSL. Веб-сайт «Got Dot Net» http.V/www.gotdotnet.ru/LeaпlDotNet/^ffiTFramework/300824.aspx#ftnref.

72. Сударкин Николай Александрович. Начинаем работу с DirectX Graphics. Веб-сайт GameDev.ruhttp://www.gamedev.ru/articles/?id= 10024

73. Сударкин Николай Александрович. Создание и текстурирование простого трехмерного объекта. Веб-сайт GameDev.ruhttp://www.gamedev.ru/articles/?id=10027

74. Rikk Carey and Gavin Bell. The Annotated VRML 2.0 Reference Manual. Addison-Wesley, 1997.

75. Rodger Lea, Kouichi Matsuda and Ken Miyashita. Java for 3D and VRML Worlds. New Riders, 1996.

76. Том Миллер. DirectX9 с управляемым кодом. Программирование игр и графики. Kick Start. Перевод с английского Созинова С.Б. М.: Издательский Дом «КомБук», 2005.

77. Уоррен Окраса. Director 8.5/МХ. Перевод на русский язык, оформление ДМК Пресс, 2003.

78. Wolfgang Engel. Shader ХЗ advanced rendering with DirectX anh OpenGL. Chalers River Media, 2002.

79. Wouter van Vugt. Open XML The markup explained. 2007.

80. Популярные журналы и сайты.

81. Веб-сайт Web3D http://www.web3d.org/x3d/wiki/index.php/MainPage

82. Веб-сайт Web3D. X3D Source & Tool Development Working Group. http://www.web3d.org/x3 d/workgroups/source/

83. Веб-сайт «DirectX Design». Использование вершинных шейдеров. http://directxdesign.narod.ru/samples/lesson3.htm

84. Веб-сайт «DirectX Design». Текстура. http://directxdesign.narod.ru/samples/lesson6.htm

85. Веб-сайт «DirectX Design». Отражение. http://directxdesign.narod.ru/samples/lesson7.htm

86. Веб-сайт «GameDev.ru — Разработка игр» http ://www.gamedev.ru/articles/?id=20123

87. Веб-сайт http://nappy.it-forge.net/article.php?id=33

88. Веб-сайт http://www.gamedev.net/columns/hardcore/dxshaderl/

89. Веб-сайт http://www.gamedev.net/columns/hardcore/dxshader2/

90. Веб-сайт http://www.gamedev.net/columns/hardcore/dxshader3/

91. Веб-сайт http://www.gamedev.net/columns/hardcore/dxshader4/

92. Веб-сайт http://www.gamedev.net/columns/hardcore/dxshader5/

93. Веб-сайт http://www.gamedev.net/reference/articles/articlel837.asp

94. Веб-сайт http://www.technica.narod.ru/ocean/ocean.wrl

95. Алексей Берилло. Современная терминология 3D графики. http://www.ixbt.com/video2/terms2k5.shtml

96. Анатолий Белов. Вершинные шейдеры. http://www.gamedev.ru/articles/?id=:10109