Системы визуализации тренажеров транспортных средств

Системы визуализации тренажеров транспортных средств Одной из областей применения компьютерной графики является тренаже-ростроение. Тренировка космонавтов, пилотов, операторов сложных систем на реальных установках и в реальных условиях слишком дорога, а часто и очень опасна. Альтернативой этому является создание имитационно-тренажерных комплексов, которые в максимально возможной степени приближены к реаль-ным установкам и позволяют тренирующимся приобрести правильные и устой-чивые навыки. Одним из важнейших компонентов имитационно-тренажерных комплексов являются системы визуализации (СВ) тренажеров транспортных средств [20-23]. К СВ авиатренажеров предъявляются особые требования [24,25]: - достаточно подробная виртуальная модель объектов, а также окружающей среды (небо, звезды, водная и земная поверхность и т.д.); - хорошее качество визуализации, без ступенек на границах объектов, без исчезновения или мигания мелких деталей (антиалиайсинг); - работа в реальном режиме времени, т.е. визуализация сцены со скоростью не менее 30 кадров в секунду; - имитация погодных условий (дождь, снег, дымка, туман); - имитация приборов и специальных средств наблюдения; - имитация реальных условий работы, включающих помехи, засветки, блики, световые и теневые эффекты и т.д. Первые цифровые СВ были разработаны в конце 60-х годов компанией General Electric (NASA II) [26]. Система NASA II основаны на системах скани-рующей строки, разработанных в университете штата Юта в конце 60-х годов. Некоторые из этих систем могли отображать 1000 или более полигонов в ре-альном времени, но все использовали простые модели освещенности и обеспе-чивали невысокую реалистичность. Система NASA II имела архитектуру «про-цессор на каждый примитив». Каждый из ее процессоров разлагал в растр один полигон на частоте развертки изображения. Использовался алгоритм сортировки по глубине (depth-sort), который является алгоритмом прямого трассирования. Дальнейшее развитие СВ в основном пошло по пути увеличения реализма сцены и уменьшения отвлекающих внимание визуальных несоответствий путем внедрения таких особенностей, как антиалиайсинг, туман и дымка, точечные источники света, облака и фильтрованные текстуры. При этом степень детали-зации отображаемой сцены практически не изменялась. Например, СВ фирмы Evans & Sutherland (1989 г.) ESIG-1000 позволяла отображать всего лишь 2300 полигонов при частоте смены кадров изображения 60 Гц [27]. Большие усилия многих компаний, в числе которых Evans & Sutherland, направлены на разра-ботку новых и улучшение существующих проекционных систем авиационных тренажеров [28]. В настоящее время наиболее известны следующие производители трена-жеров: Thomson Training & Simulation (Великобритания, США, Франция), Lockheed Martin (США), Wicat Europe (Франция), Drake Electronics Limited (Ве-ликобритания), Frasca International (США), САЕ (Канада), Raytheon Aircraft Co (США), ТРАНЗАС (Россия) и др. Примером современной СВ является новый тренажер, созданный компа-нией ТРАНЗАС. Система визуализации ТРАНЗАС предоставляет: детальное и реалистичное представление ландшафта, основанное на картографических дан-ных; высокая плотность объектного состава сцены, содержащая более 2000 объектов на 1кв.км, без ограничений размера сцены; обширная текстурная и объектная база данных, позволяющая моделировать разнообразные типы по-верхности земли в различные времена года; расширенная поддержка явлений атмосферы: дождь, снег, туман, молнии; новая модель слоистых и объемных кучевых облаков различной плотности; моделирование времени суток, вклю-чающее в себя положение небесных тел, реалистичное отображение восходов и закатов, учет фазы Луны и затмений; новый уровень реализма в отображении водной поверхности - волнение, отражение объектов, блики, солнечные и лун-ные дорожки. Одна из особенностей создания СВ – наличие больших объемов информа-ции, необходимой для моделирования полета. Поэтому наиболее крупные про-изводители авиационных тренажеров, такие как Evans & Sutherland, General Electric, McDonnell-Douglas и Singer/Link, используют в своих СВ ряд общих архитектурных принципов. Например, часто устанавливаются специализиро-ванные процессоры для управления базой данных [30], выполнения трансфор-мации примитивов, растеризации изображения, а также для выполнения опера-ций по улучшению изображения. Типичный вычислитель СВ авиационного тренажера состоит из длинного конвейера специализированных процессоров [31,32]. Среди требований к авиатренажерам в литературе отмечается необходи-мость поддерживать частоту смены кадров на приемлемом уровне (не ниже 30 кадров/с) при любой сложности изображения. В связи с этим актуальной явля-ется задача разработки архитектуры СВ, частота смены кадров в которой мало зависела бы от сложности сцены и от положения наблюдателя относительно нее. Следует заметить, что с этой точки зрения предпочтительным является ис-пользование метода обратного трассирования, так как в этом случае время син-теза кадра в большей степени пропорционально количеству пикселов на экране, чем количеству отображаемых объектов. Количество пикселов, в свою очередь, определяется угловым разрешением [18,19]. Однако метод обратного трассиро-вания недостаточно проработан для систем реального времени вообще и для СВ авиатренажеров в частности. Разработки систем визуализации в странах СНГ ведутся коллективами в г. Новосибирск [13,31-37], г. Киев [20,38], Донецк [24,39-42], Харьков [6,16,17,19,43-49], другими [50,51]. Коллективом в г. Харькове в период 1989-1993 разработана система визуализации авиационного тренажера и изготовлен ее опытный образец [43]. Система визуализации состоит из управляющей ЭВМ типа IBM PC и спецпроцессора [47]. Управляющая ЭВМ получает от моделирующей системы ТС тренажера линейные и угловые координаты, выполняет их предварительную обработку и преобразует в формат, требуемый спецпроцессо-ром. База данных находится в СП. Спецпроцессор осуществляет синтез изоб-ражения методом обратного трассирования в реальном масштабе времени. До-стоинством данной СВ является обеспечение фиксированной частоты обновле-ния изображения вне зависимости от сложности модели в базе данных и поло-жения наблюдателя. Данная СВ поддерживает плоскую модель. Для введения объемных объектов сцены, а тек же дополнения синтезируемого изображения различными спецэффектами (световыми, теневыми и др.) требуются дальнейшие исследования.