CC BY
19УДК 004.89
РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА ВОЗДЕЙСТВИЯ ВЕТРА В ТРЕХМЕРНЫХ СЦЕНАХ ЛЕСНЫХ МАССИВОВ
А. А. Ткачева
Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660014, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
Е-mail: [email protected]
Моделирование 3Б-ландшафтных сцен включает в себя два основных вопроса: создание пейзажа сцены и естественную визуализацию эффектов. Моделирование ветра является необходимой процедурой, без которой любая сцена выглядит нереалистично. Предложены три алгоритма рендеринга ветра при различных изменяемых параметрах: слабый ветер, ветер средней силы и штормовой ветер. Пользователю предлагаются возможности задания различных типов деревьев и изменения параметров ветра и манипулирования объектами в сцене с помощью программного обеспечения REWELS, разработанного в среде разработки RAD Studio 2010.
Ключевые слова: моделирование ветра, лазерное сканирование, Space Colonization algorithm, L-системы, SD-ландшафтное моделирование, мегатекстуры.
DEVELOPING THE ALGORITHM OF WIND EFFECTS IN FOREST LANDSCAPE SCENE
A. A. Tkacheva
Siberian State Aerospace University named after academician M. F. Reshetnev 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660014, Russian Federation E-mail:[email protected]
The modeling of 3D landscape scenes includes two main issues: the creation of landscape scene and the natural effect rendering. Wind rendering is a necessary procedure, without which any modeling scene looks non-realistic. Three algorithms for wind rendering under changeable parameters are proposed. They have minimal computational cost and simulate weak wind; mid-force wind, and storm wind. The user can tune the various trees and wind parameters and manipulate a modeling scene by using the software tool "REWELS" designed in the development environment RAD Studio 2010.
Keywords: wind rendering, laser scanning, Space Colonization algorithm, L-system, 3D landscape scene, mega-texture.
Процесс моделирования в общем случае разбивается на два этапа: создание пейзажа сцены и естественную визуализацию эффектов. В зависимости от решаемой задачи процесс построения ландшафтных сцен можно решать с помощью двух подходов: создание сцен в пакетах трехмерного моделирования общего назначения и генерация ландшафтов на основе данных лазерного сканирования. Для создания исходного ландшафта и объектов растительности используется комбинированный алгоритм L-систем и Space Colonization [1].
Space Colonization применяется для создания реалистичных деревьев и кустарников, L-системы позволяют получать в рамках одного вида объектов различные их вариации, отличающиеся друг от друга законом ветвления, размером и набором текстур. Моделирование ветра является необходимой процедурой, без которой любая сцена выглядит нереалистично. Для имитации случайных порывов ветра используется шум Перлина. В статье предложены три алгоритма рендеринга ветра при различных параметрах: слабый ветер, средней силы и штормовой ветер.
Моделирование воздействия слабого ветра (1-10 м/с) на объект - одна из простейших процедур, не тре-
бующих огромного количества вычислений, характе-ризируется тем, что яркость текстур при такой силе ветра изменяется незначительно. Для того, чтобы добиться данного эффекта, используются мегатекстуры. Технология является очень перспективным подходом при моделировании открытых пространств и заключается в следующем:
1. Мегатекстура хранится на жестком диске (HDD) и загружается в произвольной последовательности в ОЗУ при необходимости детализированной прорисовки пейзажа ландшафта. Такой подход существенно экономит ресурсы оперативной памяти.
2. Для объектов переднегоплана используются высочайшего качества текстуры ограниченных размеров.
3. Основные объекты покрываются высокого качества текстурой с обычным разрешением.
4. На фоновые объекты и сцену накладывается основная текстура уменьшенного разрешения.
Данная технология была разработана для ландшафтного текстурирования и повышения реалистичности моделируемой сцены. Поверхность сцены делится на разные уровни детализации (LODs), и для каждого уровня текстуры задается диапазон поддерживаемого качества текстуры.
Программные средства и информационные технологии
0,3 м/с 0,8-1 м/с 1-1,5 м/с 3-5 м/с 10-13 м/с 13-15 м/с
Рис. 1. Фрактальная модель дерева
15-17 м/с 20-21 м/с
0,3 м/с
0,8-1 м/с
1-1,5 м/с
3-5 м/с
10-13 м/с
13-15 м/с
15-17 м/с 20-21 м/с
Рис. 2. Трехмерная модель дерева
В общих случаях достаточно разделения на пять уровней. Если размер текстуры 512*512 пикселей, то данные из 512*512*5*4 = 5 Мб для 5 уровней и 32 бита необходимо для каждого пикселя (8*4 = 32 бит). Такой расчет показывает, что требуемого объема видеопамяти будет достаточно для перестройки пейзажа.
Переходы объектов из одного уровня в другой осуществляются при перемещениивиртуальной камеры, и одновременно происходит перерасчет текстур. Основным преимуществом данной технологии является возможность работать с небольшими объемами текстур и поддерживать высокую скорость компьютера.
Моделирование воздействия ветра средней силы (10-21 м/с) представлено на рис. 1 для фрактальной модели и для трехмерного объекта - на рис. 2. При построении модели ветра на фрактальной основе производятся следующие допущения: каждая ветвь (вектор) порождает 2-3 дочерних ветви с некоторым коэффициентом пропорциональности длины. При расчете воздействия ветра на такую модель необходимо рассчитать матрицы поворота для каждого вектора. При глубине рекурсии меньше 7 данные матрицы просчитываются в реальном времени, при увеличении глубины рекурсии больше 7 матрицы поворота становятся тяжелыми и их просчитать в реальном времени уже невозможно. В данном случае задача упрощается, берутся во внимание смещения по осям ОХ и 02. Также допускается, что ствол не смещается, а лишь наклоняется под определенным углом.
Моделирование штормового воздействия на объекты лесной растительности (рис. 3) существенным образом отличается от моделирования раннее рассмотренных вариантов тем, что в данном случае необходимо учитывать большее количество параметров. Дерево как объект моделирования невозможно рассматривать как простейшую геометрическую струк-
туру, в данном случае необходимо рассматривать систему, т. е. учитывать характер почвы, влажность, возраст, развитие корневой системы, плотность насаждений - все это влияет на вероятность завала деревьев в лесных массивах.
Рис. 3. Пример моделирования штормового воздействия на объект
Предложенный алгоритм состоит из следующих шагов:
1. Обнаружение объектов (деревьев) в ландшафте.
2. Расчет воздействия ветра в вертикальном направлении.
3. Расчет индивидуального коэффициента поворота ветвей дерева.
4. Расчет критической скорости ветра.
5. Моделирование влияния ветра на растительность.
Библиографическая ссылка
1. Favorskaya M., Zotin A., Chunina A. Procedural Modeling of Broad-Leaved Trees under Weather Conditions in 3D Virtual Reality // Intelligent Interactive Multimedia Systems and Services in Smart Innovation, Systems and Technologies / G. A. Tsihrintzis, M. Virvou,
L. C. Jain, R. J. Howlett (eds). Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2011. P. 5159.
References
1. Favorskaya M., Zotin A., Chunina A. Procedural Modeling of Broad-Leaved Trees underWeather Conditions in 3D Virtual Reality. In: Tsihrintzis G. A.,
Virvou M., Jain L. C., Howlett R. J. (eds) Intelligent Interactive Multimedia Systems and Services in Smart Innovation, Systems and Technologies, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2011, pp. 5159.
© Ткачева А. А., 2014
УДК 004.932
МАТИРОВАНИЕ ИЗОБРАЖЕНИЙ НА ОСНОВЕ БАЙЕСОВСКОГО ПОДХОДА
А. И. Томилина, А. С. Савельев
Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660014, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31 E-mail: [email protected], [email protected]
Задача матирования, относящаяся к функциям видеоредактирования, заключается в сегментации исходного изображения на фон и объект с последующим замещением визуальных элементов. Рассмотрено использование формулы Байеса для матирования изображений.
Ключевые слова: матирование изображений, формула Байеса.
IMAGE MATTING USING BAYES APPROACH A. I. Tomilina, A. S. Savelev
Siberian State Aerospace University named after academician M. F. Reshetnev 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660014, Russian Federation E-mail: [email protected], [email protected]
The problem of matting relating to the functions of video editing is the segmentation of the original image onto the background and the object with the subsequent substitution of visual elements. The use of Bayesian equation for image matting is considered.
Keywords: image matting, Bayes equation.
Матирование подразумевает под собой разложение начального изображения на фон (background), объект (foreground) и альфа-канал. При смешивании полученного фона с изображением объекта по альфа-каналу должно получиться исходное изображение.
Смешивание происходит по следующей формуле [1]:
C = а -F +(1 -а)-Б, (1)
где C - цвет пикселя исходного изображения; F - цвет пикселя объекта; Б - цвет пикселя фона; а - коэффициент смешивания (0 < а < 1). Для изображений в градациях серого C, F, Б - интенсивности, для цветных - векторы из компонент R, G, B.
Задача заключается в нахождении параметров F, Б, а для данного изображения C. Затем выделенный объект можно наложить на новый фон, используя формулу смешивания (1). Далее будем рассматривать только цветные изображения в формате RGB: C = (r, g, b), F = (Fr, Fg, Fb), Б = (Br, Bg, Bb).
Цвета в формате RGB можно представить как точки в трехмерном пространстве. Тогда смешивание по формуле (1) дает точку на отрезке FB (рис. 1), делящую этот отрезок в отношении 1 - а: а, считая от точки F.
Векторное уравнение (1) соответствует системе из трех уравнений с семью неизвестными (а, Fr, Fg, Fb, Вг, Вг, Вь). Задача является недоопределенной, поэтому требуются дополнительные ограничения, например: цвет фона должен быть известен или пользователь должен пометить некоторые области, относящиеся к фону или к объекту.
В
Рис. 1. Отрезок FCB
Уравнение (1) и вышеприведенные ограничения задают условия для каждого пикселя независимо. Эти ограничения не делают задачу определенной, поэтому
