Научная статья
УДК 639.3; 532.3; 004.92; 004.94
DOI: doi.org/10.48612/dalrybvtuz/2024-69-18
EDN: QRFAGU
Деформация трехмерных моделей на ГПУ для задач виртуальной реальности на примере рыбы в УЗВ
Алексей Олегович Ражев
Лаборатория цифровых технологий, Калининград, Россия; Калининградский государственный технический университет, Калининград, Россия
кандидат технических наук, генеральный директор, главный инженер Лаборатории цифровых технологий; ведущий научный сотрудник
ORCID: 0000-0002-0983-834X
e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.
Александр Алексеевич Недоступ
Калининградский государственный технический университет, Калининград, Россия
кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой промышленного рыболовства
ORCID: 0000-0002-3851-0984
e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.
Леонид Алексеевич Кондрашов
Лаборатория цифровых технологий, Калининград, Россия
инженер Лаборатории цифровых технологий
e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.
Аннотация. В задачах виртуальной реальности необходимо в реальном времени и с приемлемым качеством визуализировать моделируемые натурные процессы. В статье рассмотрены постановка и решение задачи разработки математической модели и программного кода на графическом процессоре, способных в режиме реального времени производить деформацию статической трехмерной модели объекта визуализации по заданным характеристикам, изменяющимся во времени, на примере визуализации рыб в виртуальной установке замкнутого водоснабжения, представляющей техническую систему для выращивания рыб. Предложены метод, математическая база и вычислительный алгоритм деформации статических трехмерных моделей мягких тел, полученных с применением устройств пространственного сканирования, способные видоизменять (деформировать) тело в процессе визуализации на графическом процессоре. Деформация проводится с применением секущих поверхностей, описываемых математическими зависимостями, связанными как с параметрами деформации, так и с модельным временем. Вычисляются координаты всех вершин поверхностной сетки тела и всех нормалей к поверхности, определенных в трехмерной модели. В статье приведена реализация алгоритма на вершинном шейдере, написанном на языке программирования HLSL. Приведен результат визуализации рыбы при изгибе.
Ключевые слова: математическая модель, виртуальная реальность, ГПУ, HLSL, рыба
Финансирование: Исследование выполнено в ООО «Лаборатория цифровых технологий» за счет гранта Российского научного фонда № 23-21-00010, https://rscf.ru/project/23-21-00010/.
Список источников
1. Рожков С. Н., Овсянникова Н. А. Стереоскопия в кино-, фото-, видеотехнике. Терминологический словарь. М. : Парадиз, 2003. 136 с. ISBN 5-98547-003-2.
2. Котельева А. В., Барсов В. В. Проблемы и перспективы дополненной реальности // Информационные системы и технологии: фундаментальные и прикладные исследования. 2017. Т. 1, № 1. С. 454–457.
3. D. Luebke, Mark J. Harris. (2004) GPGPU: general purpose computation on graphics hardware. SIGGRAPH '04: ACM SIGGRAPH 2004 Course Notes. doi:10.1145/1103900.1103933.
4. Michael B. Timmons and James B. Ebeling (2013). Recirculating Aquaculture (3rd ed.). Ithaca Publishing Company Publishers. ISBN 978-0971264656.
5. Недоступ А. А., Альтшуль Б. А., Ражев А. О., Дятченко С. В., Бедарева О. М., Багрова А. А. Математическое моделирование поведенческих характеристик стаи рыб при облове разноглубинным тралом // Морские интеллектуальные технологии. 2019. Т. 4, № 4(46). С. 181–185.
6. Gun-Ho LEE, Chun Woo LEE, Young-Bong KIM, Pingguo He. (2007) Simulating the behavior of Atlantic mackerel and their capture by pelagic trawls / 8th International workshop - Methods for the Development and Evaluation of Maritime Technologies DEMAT 2007. Vol. 5. Germany. Rostock. P. 285–295.
7. Lindner P., Wanielik G. (2009). 3D LIDAR Processing for Vehicle Safety and Environment Recognition. IEEE Workshop on Computational Intelligence in Vehicles and Vehicular Systems. ISBN 978-1-4244-2770-3. DOI:10.1109/CIVVS.2009.4938725.
8. Hansard Miles, Lee Seungkyu, Choi Ouk, Horaud Radu (2012). Time-of-flight cameras: Principles, Methods and Applications. SpringerBriefs in Computer Science. ISBN 978-1-4471-4657-5. doi:10.1007/978-1-4471-4658-2.
9. Бухтяк М. С., Никульчиков А. В. Моделирование деформации сотовой панели // Вестник Томского государственного университета. Математика и механика. 2013. № 2(22). С. 5–16.
10. Климчик А. С., Гомолицкий Р. И., Фурман Ф. В., Сёмкин К. И. Разработка управляющих программ промышленных роботов : курс лекций. Минск : Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники, 2008. 131 с.
11. Копылов А. З., Лычагин Ю. В., Осипов В. И. Среда разработки ПО Embarcadero RAD Studio 10.3 Rio: практ. пособие. СПб. : Балт. гос. техн. ун-т, 2019. 27 с.
© Ражев А. О., Недоступ А. А., Кондрашов Л. А., 2024
Для цитирования: Ражев А. О., Недоступ А. А., Кондрашов Л. А. Деформация трехмерных моделей на ГПУ для задач виртуальной реальности на примере рыбы в УЗВ // Научные труды Дальрыбвтуза, 2024. Т. 69, № 3. С. 183–195.
Статья поступила в редакцию 04.03.2024; одобрена после рецензирования 10.09.2024; принята к публикации 18.09.2024.
Origrnal article
Deformation of three-dimensional models on the GPU for virtual reality applications on the example of fish RAS
Alexey O. Razhev
DigiTech Laboratory, Kaliningrad, Russia; Kaliningrad State Technical University, Kaliningrad, Russia
PhD, General Director, Chief Engineer of DigiTech Laboratory; Leading Researcher
ORCID: 0000-0002-0983-834X
e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.
Aleksandr A. Nedostup
Kaliningrad State Technical University, Kaliningrad, Russia
PhD, Associate Professor, Head of the Department of Commercial Fisheries
ORCID: 0000-0002-3851-0984
e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.
Leonid A. Kondrashov
DigiTech Laboratory, Kaliningrad, Russia
Engineer of DigiTech Laboratory
e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.
Abstract. In virtual reality applications, it is necessary to visualize simulated natural processes in real time and with acceptable quality. The article discusses the formulation and solution of the problem of developing a mathematical model and program code on a graphics processor unit capable of deforming a static three-dimensional model of a visualization object in real time in accordance with the specified time-dependent characteristics. For example, the visualization of fish in a virtual installation of an aquaculture recirculating system, which is a technical system for growing fish, is considered. A method, a mathematical base and a computational algorithm for deformation of static three-dimensional models of soft bodies obtained using spatial scanning devices capable of modifying (deforming) the body during visualization on a graphics processor are proposed. Deformation is carried out using secant surfaces described by mathematical dependencies related to both deformation parameters and model time. The coordinates of all vertices of the surface mesh of the body and all normal to the surface defined in the three-dimensional model are calculated. The article presents the implementation of the algorithm on a vertex shader created on HLSL programming language. The result of visualization of fish during bending is given.
Keywords: Mathematical model, Virtual reality, GPU, HLSL, Fish
Funding: The research was carried out in DigiTech Laboratory at the expense of a grant from the Russian Science Foundation (project No. 23-21-00010), https://rscf.ru/project/23-21-00010/.
© Razhev A. O., Nedostup A. A., Kondrachov L. A., 2024
For citation: Razhev A. O., Nedostup A. A., Kondrachov L. A. Deformation of three-dimensional models on the GPU for virtual reality applications on the example of fish RAS. Scientific Journal of the Far Eastern State Technical Fisheries University. 2024; 69(3): 183–195. (in Russ.).
The article was submitted 04.03.2024; approved after reviewing 10.09.2024; accepted for publication 18.09.2024.