Уровень соответствия синтезируемого изображения оригиналу является важным фактором, от которого зависит эффективность имитатора в целом. Синтезируемое изображение какого-либо объекта, детали или процессов должно быть узнаваемо. Несоблюдение этого требования может привести к потере времени пользователя, в попытках понять, что он видит. При оценке степени соответствия синтезируемого изображения оригиналу целесообразно использовать, как в кинематографии и телевидении, три уровня подобия: физическое, психофизическое (физиологическое) и психологическое.

В применении к машинной графике физическое подобие означает, что синтезированное изображение по основным физическим характеристикам повторяет оригинал. Физическое подобие устанавливается на уровне трех групп характеристик: геометрических (пространственных), яркостных (энергетических) и временных. При физически точном подобии определенные характеристики синтезированного изображения должны полностью соответствовать характерис­тикам оригинала либо быть пропорциональными им. Стоит отметить, что условия физического подобия не могут быть реализованы в полной мере, если синтезируется двухмерное изображение (в котором теряется информация, определяемая бинокулярным зрением) без применения специальных средств, создающих условия объемного восприятия. Как правило, такие средства используются в системах виртуальной реальности (стереоскопическая визуализация, голографическая визуализация, визуализация на объемных носителях и т. д.). Более подробно указанные средства рассматриваются в главе, целиком посвященной системам формирования виртуальной реальности.

При психофизическом (физиологическом) подобии соответствие устанавливается на уровне зрительных ощущений. В силу ограниченных возможностей зрительного аппарата наблюдатель при некотором уровне искажений не может ощутить разницы между синтезированным изображением и оригиналом, так как зрительные ощущения идентичны, хотя яркость, форма и цвет неодинаковы. Психологическое подобие предполагает, что по общему восприятию синтезированное изображение и оригинал являются схожими. Вследствие этого синтезированное изображение обеспечивает формирование у наблюдателя вполне определенного суждения о реальном объекте или сюжете, хотя синтезированное изображение и оригинал значительно различаются по физическим характеристикам.

Оптимальный результат может быть получен при совместном использовании психофизического и психологического подобия синтезируемого изображения. Использование психофизического подобия разумно применять к ключевым объектам имитатора, в то время как второстепенные объекты могут иметь психологическое подобие.

В настоящее время для определения уровня подобия синтезируемого изображения применяется экспертный метод (не требует наличия метрического пакета, нет необходимости в проведении замеров, статистической обработки и т.д.), т.к. использование иных методов, например, экспериментального, на основе корреляционных зависимостей и т.д. не представляется возможным.

Для использования экспертного метода оценки необходимо назначить качественные, сравнительно-количественные или количественные показатели на основе их принятия или соглашения. Наиболее эффективно использование экспертов, имеющих опыт работы на имитируемом объекте. Точность оценки в любом случае является субъективной и напрямую зависит от компетенции экспертов. Ошибки оценки увеличивают риск обнаружения ошибок во время эксплуатации имитатора.

Рисунок. Психологическое подобие

 

Рисунок. Психофизическое подобие

Рисунок. Фотография

Используемые технологии

Существует несколько технологий рендеринга, часто комбинируемых вместе - сортировка по глубине (Z-буфер), метод трассировки лучей (raytrace, raycasting), глобальная иллюминация (global illumination, radiosity), методы для воксельных моделей.

Z-буфер (используется в OpenGL и DirectX) - для каждого получаемого пиксела, его удалённость просчитывается и записывается в ячейку Z-буфера. Если пикселы двух рисуемых объектов перекрываются, то их значения глубины сравниваются, и рисуется тот, который ближе, а его значение удалённости сохраняется в буфер. Данный метод отличается высокой скоростью, в силу чего находит большое применение при создании имитаторов. Недостатком метода является высокая трудоемкость получения реалистичного изображения, формирования теней, затенения, отражений и т.д.

Метод трассировки лучей (raytrace, raycasting) - метод рендеринга, при котором изображение строится на основе замеров пересечения лучей с визуализируемой поверхностью. Различают прямую и обратную трассировку.

Глобальная иллюминация (global illumination, radiosity) — метод использует математику конечных элементов, чтобы симулировать диффузное распространение света от поверхностей и при этом достигать эффектов "мягкости" освещения.

Воксельные модели также удобны тем, что простейший алгоритм отрисовки трехмерной модели достаточно очевиден. Для улучшения качества изображения используются более сложные алгоритмы отрисовки. Например, алгоритм "Marching Cubes" (бегущие кубики) строит изоповерхность, опираясь на данные вокселов. Обычная реализация алгоритма использует значения 8-и соседних вокселов, чтобы отрисовать полигон внутри куба, образованного их координатами. Так как существует всего 256 возможных комбинаций, можно заранее их подготовить и использовать типовые «кирпичики» (уже в экранных координатах) для отрисовки больших объёмов данных в хорошем качестве. Для воксельной графики возможен прямой вывод на объёмные дисплеи, получение проекции изображения в таком случае не нужно.

Методы трассировки лучей и глобальной иллюминации отличаются более высокой сложностью, и, соответственно, меньшей скоростью, в силу чего находят большое применение в задачах формирования фотореалистичного изображения с учетом теней, отражений, свойств материалов и т.д. Недостатками метода являются сложность реализации и низкая скорость.

При выборе метода необходимо найти компромисс между реалистичностью изображения и необходимым временем, затрачиваемым на его получение.

Методы реализации трассировки лучей, глобальной иллюминации и методы визуализации воксельных моделей подробно описаны в большом количестве специализированных источников.

Рисунок. Фотография объекта

Рисунок. Визуализация объекта с применением стандартных средств OpenGL. Скорость синтеза составляет более 200 кадров в секунду

Рисунок. Визуализация объекта с применением метода global illumination. Скорость синтеза одного кадра составляет 9 минут 6 секунд

Решая вопрос о выборе технологии визуализации, необходимо отметить, что на сегодняшний день существует только один кроссплатформенный графический интерфейс, являющийся на данный момент индустриальным стандартом - OpenGL (Open Graphic Library), необходимым для создания интерактивных трехмерных прикладных программ.

Сложные конфигурации

Физические устройства вывода изображений для имитаторов могут состоять из одного монитора или проектора, а могут иметь более сложные конфигурации, такие как "стена" из проекторов (VR wall), "панорама" и др. Современные графические ускорители и специальное оборудование (например, Matrox Head2Go) позволяют реализовать такую возможность. Главной проблемой является увеличение затрат вычислительных ресурсов при синтезе "большого" изображения.

Рисунок. Вывод панорамного изображения на 3 монитора

Даже с использованием механизмов оптимизации, описанных в предыдущей главе, возможна ситуация, когда синтез сложного изображения в реальном времени невозможен с использованием одной графической станции. В этом случае используют возможность распределения вычислений между несколькими компьютерами, т.е. используют кластерные вычисления.

Рисунок. Четыре фрагмента одного изображения на одном экране

Рисунок. Различные изображения, соответствующие наблюдаемому пространству пользователя: прямо, слева, справа и сверху на нескольких экранах (соответственно расположенных)

При этом имеется три варианта использования кластерных вычислений для синтеза изображения:

1. Для визуализации одного сложного изображения на 1 плоскости (экране), путем его разбиения на части и отрисовкой каждой на отдельном компьютере.

2. Для визуализации различных изображений на нескольких плоскостях, например, "вид прямо", "слева", "справа", "сверху" и т. д. Часто используется для панорамных системы визуализации, проецирования на купол или сферу, а также для проецирования различные стены "комнаты" - от 2 до 6.

3. Комбинация пп. 1 и 2.

Рисунок. "Стена" из проекторов (VR wall)