СПОСОБЫ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ВОКСЕЛЬНОГО ЛАНДШАФТА ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ СИСТЕМ ВИРТУАЛЬНОЙ РЕАЛЬНОСТИ

В статье исследованы способы представления и форматы хранения объёмных (воксельных) данных, которые могут быть использованы для моделирования воксельных ландшафтов с реконструкцией острых углов и рёбер, что необходимо для представления искусственных элементов ландшафта в САПР для архитектуры и строительства и в системах виртуальной реальности с разрушаемым окружением. Для хранения редактируемых блоков воксельного ландшафта предложено использовать лучевое представление, дополненное материалами и нормалями к поверхности, и точечное представление с неявной связанностью. В первой форме представления трёхмерный объект описывается как набор сплошных интервалов вдоль трёх координатных осей. Во второй объект представлен трёхмерным массивом вокселей, являющихся идентификаторами материалов, и облаком точек, существующих внутри ячеек, находящихся на границах раздела областей с различными материалами. Оба вида представления позволяют выполнять булевы операции, поддерживают различные материалы и содержат информацию для реконструкции острых углов поверхности, а лучевое представление применяется в настоящее время для геометрического моделирования в CAD/CAM/CAE-системах. Проведено экспериментальное тестирование предложенных способов представления и методов хранения блоков воксельного ландшафта, отмечены их преимущества и ограничения. Предложены рекомендации по выбору методов, наиболее подходящих для решения конкретных классов задач САПР. Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 19-07-01200.

1. Lengyel E. Voxel-Based Terrain for Real-Time Virtual Simulations // PhD diss., University of California at Davis. — 2010. — 95 P.

2. Forstmann S. Research on Improving Methods for Visualizing Common Elements in Video Game Applications // PhD diss., Waseda University. — 2013. — 168 P.

3. Voxel Farm [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://voxelfarm.com/ Дата последнего обращения: 29.01.2019.

4. A Survey on Implicit Surface Polygonization // ACM Computing Surveys. 2015. Vol. 47, Iss. 4. — P. 1-39.

5. Ju T., Losasso F., Schaefer S., Warren J. Dual Contouring of Hermite Data // ACM Transactions on Graphics, 21(3). — 2002. — P. 339–346.

6. Шакаев В.Д. View-Dependent Level of Detail for Real-Time Rendering of Large Isosurfaces / В.Д. Шакаев, Н.П. Садовникова, Д.С. Парыгин // Creativity in Intelligent Technologies and Data Science. Second Conference, CIT&DS 2017 – (Ser. Communications in Computer and Information Science ; Vol. 754) – P. 501-516.

7. Schaefer S, Warren J. Dual marching cubes: primal contouring of dual grids // Computer Graphics Forum, 24(2). —2005. — P. 195–201.

8. Ho C.-C., Wu F.-C., Chen B.-Y., Chuang Y.-Y., Ouhyoung M. Cubical marching squares: Adaptive feature preserving surface extraction from volume data // EUROGRAPHICS 2005, 24, 3. — 2005. — P. 537–545.

9. Frisken S.F., Perry R.N. Designing with distance fields // Proceedings of the International Conference on Shape Modeling and Applications 2005 (SMI '05), IEEE Computer Society. — 2005, Washington, DC, USA. – P. 58–59

10. Menon J., Marisa R., Zagajac J. More powerful solid modeling through ray representations // IEEE Computer Graphics and Applications, 14. — 1994. — P. 22–35.

11. Rocchini C., Cignoni P., Ganovelli F., Montani C., Pingi P., Scopigno R. Marching Intersections: an Efficient Resampling Algorithm // Shape Modeling International, IEEE Computer Society. — 2001. – P. 296–305.

12. Benouamer M.O., Michelucci D. Bridging the Gap between CSG and Brep via a Triple Ray Representation // Proceedings of the fourth ACM symposium on Solid modeling and applications (SMA '97), ACM. — 1997, New York, NY, USA. — P. 68–79.

13. Wang C.C.L., Chen Y. Layered Depth-Normal Images: a Sparse Implicit Representation of Solid Models // Technical Report, The Chinese University of Hong Kong. — 2007.

14. Wang C.C.L., Leung Y.-S., Chen Y., Solid modeling of polyhedral objects by Layered Depth-Normal Images on the GPU // Computer-Aided Design, Vol. 42, Iss. 6. — 2010. — P. 535–544.

15. Zhao H., Wang C.C.L., Chen Y., Jin X. Parallel and efficient Boolean on polygonal solids // The Visual Computer, Vol. 27, Iss. 6–8. — 2011. — P. 507–517.

16. Воронцов Г.В. Быстрое построение BVH дерева на GPGPU. /Воронцов Г.В., Преображенский А.П., Чопоров О.Н.// Моделирование, оптимизация и информационные технологии. 2018. Т. 6. № 2 (21). С. 24-34.

17. Wang C.C.L., Chen Y. Regulating complex geometries using layered depthnormal images for rapid prototyping and manufacturing // Rapid Prototyping Journal, Vol. 19, Iss. 4. — 2013. — P. 253–268.

18. Kwok T.-H., Chen Y., Wang C.C.L. Geometric Analysis and Computation Using Layered Depth-Normal Images for Three-Dimensional Microfabrication // Three-Dimensional Microfabrication Using Two-photon Polymerization (Micro and Nano Technologies), William A. Publishing. — 2016. — P. 119–147.

19. Ho C.-C., Tu C.-H., Ouhyoung M. Detail sculpting using cubical marching squares // Proceedings of the 2005 international conference on Augmented tele-existence (ICAT '05). — 2005, NY, USA. — P. 10–15.

20. Nooruddin F., Turk, G. Simplification and Repair of Polygonal Models Using Volumetric Techniques // ACM Transactions on Visualization and Computer Graphics, Vol. 9, Iss. 2. — 2003. — P. 191–205.

21. Lefebvre S. IceSL: A GPU Accelerated CSG Modeler and Slicer // AEFA'13, 18th European Forum on Additive Manufacturing. — 2013, Paris, France.

22. Zhang N., Qu H., Kaufman A. CSG Operations on Point Models with Implicit Connectivity // Computer Graphics International 2005. — 2005. — P. 87–93.

23. Lorensen W., Cline H. Marching Cubes: a high-resolution 3D surface construction algorithm // Computer Graphics (SIGGRAPH 87 Proceedings). — 1987. — P. 163–169.

24. Gibson S. Constrained elastic surface nets: Generating smooth surfaces from binary segmented data // Proceedings of the First International Conference on Medical Image Computing and Computer-Assisted Intervention, MICCAI 1998. — 1998. — P. 888–898.