10.14489/vkit.2018.09.pp.032-038

DOI: 10.14489/vkit.2018.09.pp.032-038

Вяткин С. И., Долговесов Б. С.
ГИБРИДНЫЙ РЕНДЕРИНГ ФУНКЦИОНАЛЬНО ЗАДАННЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ, ВОКСЕЛЬНО-БАЗИРУЕМОГО РЕЛЬЕФА МЕСТНОСТИ И РАССЕЯННОГО СВЕТА С ПРИМЕНЕНИЕМ ГРАФИЧЕСКИХ АКСЕЛЕРАТОРОВ
(c. 32-38)

Аннотация. Предложен метод гибридного рендеринга проекционных изображений пространственных объектов на основе аналитических и скалярных функций возмущения и рассеяного света с применением графических ускорителей. Для отображения рельефа и смены уровней детальности используется тот же механизм, что и для текстуры цвета, а для рассеянного света – вершинные шейдеры.

Ключевые слова: функции возмущения; текстура формы; рассеяный свет; туман; графические акселераторы; вершинные шейдеры; объемно-ориентированная визуализация.

Vyatkin S. I., Dolgovesov B. S.
HYBRID RENDERING FUNCTIONALLY DEFINED SURFACES, VOXEL-BASED TERRAIN AND SCATTERED LIGHT USING GRAPHICS PROCESSING UNITS
(pp. 32-38)

Abstract. This paper highlights three significant aspects of the visualization which features a lot of advanced techniques intended to synthesize a highly realistic visual environment for a diverse set of applications. The geometric model is based on non-polygonal representation. The proposed approach allows to specify surface representation as composition of base surfaces and perturbation functions. Small number of such functions is enough to describe surfaces of any form including non-convex, with holes etc. However it does support traditional objects, i.e. polygonal models could also be reconstructed and visualized. In this paper, we consider the effect of scattered light in the atmosphere, and we show how this effect can be computed in real time with Graphivs Processing Unit vertex shaders applied to one or more image light sources. Volume oriented rasterization algorithm and hybrid of object processing result in an efficient hidden surface removal and detection of spatial collisions. Chosen representation of terrain data is based on regular elevation map complemented with levels of detail. This approach has several advantages (rapid generation and modification, efficient data storing and retrieving) over polygonized terrain models. Set of geometric objects is extended by freeform surfaces which simplify composition of smooth complex objects and simultaneously decrease data needed for storing them. To decorate surface of terrain textures are used. Photorealistic visualisation of complex surfaces, for instance, specified by a three-dimensional function, defined on discrete grid can be done without intermediate polygonal approximation. Such surfaces are represented by differential height map, i. e. the algebraic carrier surface is given and in each grid node only deviation from this surface is needed. This representation facilitates calculation of contiguous levels of details as well as makes easy quality filtering. Geometry transformations apply only to the carrier surface and the height map is kind of shape texture. During the recursive voxel subdivision on each level, we project the centers of the voxels onto some plane. The computed coordinates, as well as in the case of ordinary RGB texture map, will define address in the so called “altitude map” or “shape texture”. We calculate the altitude corresponding to this address and a level of details, and use it to modify coefficients of the plane equation. As a result we will obtain a smooth surface of arbitrary shape modulated with the values from the altitude map. Using traditional polygonal representation for the example complex surface give rise to a range of problems such as visible surface determination, depth complexity handling, controlling levels of details, clipping polygons by viewing frustum, geometry transformations of large number of polygons. Discussed surface representations and the approach to their processing facilitate description of such phenomena as waves, dynamic surface warping, morphing, deformations and animation of wide range of surfaces.

Keywords: Perturbation functions; Shape texture; Scattered light; Fog; Graphics processing units; Vertex shaders; Volume oriented visualization.

+ - Информация об авторах (About the Authors) Click to collapse

Рус

С. И. Вяткин, Б. С. Долговесов (Институт автоматики и электрометрии Сибирского отделения РАН, Новосибирск, Россия) E-mail: Этот e-mail адрес защищен от спам-ботов, для его просмотра у Вас должен быть включен Javascript

Eng

S. I. Vyatkin, B. S. Dolgovesov (Institute of Automation and Electrometry of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, Novosibirsk, Russia) E-mail: Этот e-mail адрес защищен от спам-ботов, для его просмотра у Вас должен быть включен Javascript

+ - Библиографический список (References) Click to collapse

Рус

1. Вяткин С. И. Преобразования функционально заданных форм // Программные системы и вычислительные методы. 2014. № 4. С. 484 – 499.
2. Вяткин С. И. Моделирование сложных поверхностей с применением функций возмущения // Автометрия. 2007. Т. 43, № 3. C. 40 – 47.
3. Вяткин С. И. Метод бинарного поиска элементов изображения функционально заданных объектов с применением графических акселераторов // Автометрия. 2014. Т. 50, № 6. С. 89 – 96.
4. Вяткин С. И. Метод рекурсивного поиска элементов изображения функционально заданных поверхностей // Автометрия. 2017. Т. 53, № 3. С. 53 – 57. doi: 10.15372/AUT20170307
5. Вяткин С. И. Моделирование неоднородностей при визуализации атмосферных эффектов // Вестник компьютерных и информационных технологий. 2016. № 7. С. 9 – 14. doi: 10.14489/vkit.2018.07. pp.009-014
6. Blinn J. F. A Generation of Algebraic Surface Drawing // ACM Transactions on Graphics. July 1982. V. 1, No 3. P. 235 – 256.
7. Bloomenthal J., Shoemake K. Convolution surfaces // ACM SIGGRAPH Computer Graphics. 1991. V. 25, Is. 4. P. 251 – 256. doi:10.1145/127719.122757
8. Sealy G., Wyvill G. Smoothing of Three Dimensional Models by Сonvolution // Proc. of Computer Graphics International, Pohang, 24-28 June 1996. P. 184 – 190.
9. McCormack J., Sherstyuk A. Creating and Rendering Convolution Surfaces // Computing Graphics Forum. 1998. V. 17, No. 2. P. 113 – 120. doi:10.1111/1467-8659.00232
10. Muraki S. Volumetric Shape Description of Range Data Using “Blobby Model” // ACM SIGGRAPH Computer Graphics. 1991. V. 25, No. 4. P. 227 – 235.
11. Object Modelling by Distribution Function and a Method of Image Generation / Nishimura H. et al. // Transactions of the Institute of Electronics and Communication Engineers of Japan. 1985. V. J68-D, No. 4. P. 718 – 725.
12. Wyvill G., McPheeters C., Wyvill B. Data Structure for Soft Objects // The Visual Computer. 1986. V. 2, Is. 4. P. 227 – 234. doi:10.1007/BF01900346
13. Вяткин С. И. Визуализация фотореалистичного рельефа местности на основе текстурыформы с использованием графических ускорителей // Программные системы и вычислительные методы. 2015. № 1. С. 89 – 107. doi: 10.7256/2305-6061.2015.1.14373
14. Вяткин С. И. Метод вычисления интенсивности рассеянного света и тумана с использованием графических акселераторов // Вестник компьютерных и информационных технологий. 2017. № 5. С. 35 – 38. doi: 10.14489/vkit.2017.05.pp.035-038
15. Klassen R. V. Modelling the Effect of the Atmosphere on Light // ACM Transaction on Graphics. 1987. V. 6, No 3. P. 215 – 237.

Eng

1. Vyatkin S. I. (2014). Transformations of functionally defined forms. Programmnye sistemy i vychislitel'nye metody, (4), pp. 484-499. [in Russian language]
2. Vyatkin S. I. (2007). Modeling of complex surfaces using perturbation functions. Avtometriya, 43(3), pp. 40-47. [in Russian language]
3. Vyatkin S. I. (2014). The method of binary search of image elements of functionally defined objects using graphic accelerators. Avtometriya, 50(6), pp. 89-96. [in Russian language]
4. Vyatkin S. I. (2017). The method of recursively searching for image elements of functionally defined surfaces. Avtometriya, 53(3), pp. 53-57. doi: 10.15372/ AUT20170307 [in Russian language]
5. Vyatkin S. I. (2016). Simulation of inhomogeneities in the visualization of atmospheric effects. Vestnik komp'yuternyh i informatsionnyh tekhnologiy, (7), pp. 9-14. doi: 10.14489/vkit.2018.07. pp.009-014 [in Russian language]
6. Blinn J. F. (1982). A Generation of Algebraic Surface Drawing. ACM Transactions on Graphics, 1(3), pp. 235-256.
7. Bloomenthal J., Shoemake K. (1991). Convolution Surfaces. ACM SIGGRAPH Computer Graphics, 25(4), pp. 251-256. doi: 10.1145/127719.122757
8. Sealy G., Wyvill G. (1996). Smoothing of Three Dimensional Models by Convolution. Proceedings of Computer Graphics International. Pohang, pp. 184-190.
9. McCormack J., Sherstyuk A. (1998). Creating and Rendering Convolution Surfaces. Computing Graphics Forum, 17(2), pp. 113-120. doi: 10.1111/1467-8659.00232
10. Muraki S. (1991). Volumetric Shape Description of Range Data Using “Blobby Model”. АСМ SIGGRAPH Computer Graphics, 25(4), pp. 227-235.
11. Nishimura H. et al. (1985). Object Modelling by Distribution Function and a Method of Image Generation. The Transactions of the Institute of Electronics and Communication Engineers of Japan, J68-D(4), pp. 718-725.
12. Wyvill G., McPheeters C., Wyvill B. (1986). Data Structure for Soft Objects. The Visual Computer, 2(4), pp. 227-234. doi: 10.1007/BF01900346
13. Vyatkin S. I. (2015). Visualization of photorealistic terrain relief based on textureshapes using graphic accelerators. Programmnye sistemy i vychislitel'nye metody, (1), pp. 89-107. doi: 10.7256/2305-6061.2015.1. 14373 [in Russian language]
14. Vyatkin S. I. (2017). Method for calculating the intensity of scattered light and fog using graphic accelerators. Vestnik komp'yuternyh i informatsionnyh tekhnologiy, (5), pp. 35-38. doi: 10.14489/vkit.2017.05. pp.035-038 [in Russian language]
15. Klassen R. V. (1987). Modelling the Effect of the Atmosphere on Light. ACM Transaction on Graphics, 6(3), pp. 215-237.

+ - Заказать электронную версию статьи (Purchase digital version of a single article) Click to collapse

Рус

Статью можно приобрести в электронном виде (PDF формат).

Стоимость статьи 350 руб. (в том числе НДС 18%). После оформления заказа, в течение нескольких дней, на указанный вами e-mail придут счет и квитанция для оплаты в банке.

После поступления денег на счет издательства, вам будет выслан электронный вариант статьи.

Для заказа скопируйте doi статьи:

10.14489/vkit.2018.09.pp.032-038

и заполните форму

Отправляя форму вы даете согласие на обработку персональных данных.

Eng

This article is available in electronic format (PDF).

The cost of a single article is 350 rubles. (including VAT 18%). After you place an order within a few days, you will receive following documents to your specified e-mail: account on payment and receipt to pay in the bank.

After depositing your payment on our bank account we send you file of the article by e-mail.

To order articles please copy the article doi:

10.14489/vkit.2018.09.pp.032-038

and fill out the form