СИНТЕЗ ДЕТАЛЬНЫХ ОСОБЕННОСТЕЙ РЕЛЬЕФА ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ ВИРТУАЛЬНОГО РОБОТА-ПЛАНЕТОХОДА

СИНТЕЗ ДЕТАЛЬНЫХ ОСОБЕННОСТЕЙ РЕЛЬЕФА ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ ВИРТУАЛЬНОГО РОБОТА-ПЛАНЕТОХОДА

© М.А.Торгашев, П.Ю.Тимохин, Д.М.Логинов
© Государственный музей истории космонавтики им. К.Э. Циолковского, г. Калуга
Секция "К.Э. Циолковский и проблемы профессиональной деятельности космонавтов"
2017 г.

При разработке современных колесных и гусеничных роботов-планетоходов широко проводятся испытания их прототипов в виртуальной среде. В частности, моделируется в реальном времени динамика передвижения робота по рельефу исследуемой планеты или спутника [1, 2]. Актуальной задачей является разработка новых быстрых методов моделирования и визуализации детальных особенностей рельефа (ям, бугров, складок, ударных кратеров и др.), преодолеваемых роботом в ходе испытания. Эффективным подходом является видозависимая адаптивная триангуляция детализированной регулярной сетки высот, при котором участки сетки с малозаметными на экране перепадами высот разбиваются на меньшее число треугольников, чем остальные [3].

В данной работе для моделирования рельефа предлагается использовать технологию программируемого разбиения треугольников (тесселяции) на графическом процессоре [4]. Эта технология позволяет в масштабе реального времени генерировать связную триангуляцию в плоскости разбиваемого треугольника, управлять ее детализацией и изменять ее форму. Сетка высот рельефа исходно разбивается на крупные прямоугольные треугольники одинакового размера, выровненные по ее узлам. Для текущего кадра визуализации каждый треугольник, в котором сетка имеет перепад высот, занимающий более k пикселов на экране, разбивается на четыре треугольника одинакового размера. Это повторяется для вновь образованных треугольников, пока условие не перестанет выполняться или не будет достигнут шаг сетки высот. У полученных треугольников вершины смещаются согласно карте высот, формируя в результате трехмерную полигональную модель рельефа местности. В синтезированной таким образом модели рельефа, подробно триангулируются только заметные на экране детальные особенности рельефа, а на остальных участках геометрия упрощается незаметно для наблюдателя, за счет чего обеспечивается существенный выигрыш в скорости визуализации.

На основе предложенных методов и алгоритмов в ФГУ ФНЦ НИИСИ РАН создан программный комплекс, позволяющий моделировать и визуализировать в масштабе реального времени участки рельефа с сеткой 16000 х 16000 узлов. Были смоделированы детальные рельефы участков Луны и Марса, и проведены испытания с передвижением виртуальных роботов-роверов по этим участкам. Апробация показала адекватность предлагаемого решения поставленной задаче. Разработанный программный комплекс реализован на персональном компьютере с использованием распределенных вычислений на графических процессорах.

Данная работа выполняется при поддержке РФФИ, грант № 16-07-01104.

Литература

1. Tasora, D. Negrut, etc. Simulation of Massive Multibody Systems using GPU Parallel Computation. Proceedings of the 18th International Conf. in Central Europe on Computer Graphics, Visualization and Computer Vision, Plzen, Czech Republic, 2010.

2. Страшнов Е.В., Торгашев М.А. Моделирование динамики электроприводов виртуальных роботов в имитационно-тренажерных комплексах // Издательство “Новые технологии”, Мехатроника, автоматизация, управление. Том 17, № 11, Москва, 2016, С. 762-768.

3. Cantlay I. Directx 11 terrain tessellation. NVIDIA WhitePaper, 2011.

4. Михайлюк М.В., Тимохин П.Ю., Мальцев А.В. Адаптивная тесселяция на GPU виртуального рельефа с помощью патчей-треугольников // Труды 26-й Международной конференции GraphiCon2016, Нижний Новгород. 2016. c. 39-43.