ТЕХНОЛОГИЯ ВИЗУАЛИЗАЦИИ ОГНЕЙ НОЧНЫХ ГОРОДОВ ЗЕМЛИ В КОСМИЧЕСКИХ ВИДЕОТРЕНАЖЕРАХ

© П.Ю.Тимохин, А.В.Мальцев, И.Н.Мироненко
© Государственный музей истории космонавтики им. К.Э. Циолковского, г. Калуга
Секция "К.Э. Циолковский и проблемы профессиональной деятельности космонавтов"
2018 г.

Одними из важных составляющих современной подготовки космонавтов являются тренировки в видеотренажерах с применением виртуальной модели Земли. В частности, это касается выполнения навигационно-маневровых операций и визуально-инструментальных наблюдений с борта Международной космической станции (МКС) [1]. Актуальной задачей является визуализация в масштабе реального времени огней ночных городов Земли в космических видеотренажерах. Эффективным подходом представляется визуализация модели Земли с детализированными текстурами подстилающей поверхности и огней ночных городов, разрешение которых близко к разрешению средства наблюдения. Размеры и объем таких текстур превосходят аппаратные возможности видеокарт (сверхбольшие текстуры [2]), поэтому для их визуализации требуется разработка специальных технологий, методов и алгоритмов.

Предлагаемая в данной работе технология визуализации огней ночных городов Земли включает в себя этап синтеза детализированной текстуры огней ночных городов и этап синтеза изображения подстилающей земной поверхности с огнями ночных городов.

Первый этап выполняется на стадии подготовки данных для визуализации. На данном этапе исходная сверхбольшая текстура огней [3] разбивается на участки одинакового размера (тайлы), выполняется увеличение этих тайлов с помощью фрактальной интерполяции [4] и слияние в новую, детализированную текстуру огней. Коэффициент увеличения тайлов задается таким, чтобы результирующая текстура имела разрешение, близкое к разрешению средства наблюдения.

Второй этап выполняется для каждого кадра визуализации. Данный этап включает в себя синтез пары изображений модели земной поверхности (с детализированной текстурой подстилающей поверхности и с детализированной текстурой огней ночных городов) и смешивание этих изображений с помощью светотеневой маски Земли, заданной в градациях серого цвета. Синтез пары изображений выполняется с помощью технологии визуализации сверхбольших текстур [2], а светотеневая маска рассчитывается динамически в зависимости от взаимного расположения наблюдателя, моделей Земли и Солнца. Смешивание пары изображений выполняется в расширенном диапазоне яркостей с учетом интенсивности самосвечения огней ночных городов.

На основе предложенной технологии был разработан программный комплекс визуализации в масштабе реального времени огней ночных городов Земли в космических видеотренажерах. Была выполнена визуализация модели Земли для светлого и темного времени суток с текстурным разрешением, соответствующим наблюдению невооруженным глазом с борта МКС. Апробация показала адекватность предложенного решения поставленной задаче. Разработанный программный комплекс реализован на персональном компьютере с использованием распределенных вычислений и распараллеливанием графических расчетов на графических процессорах.

Данная работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 17-07-00243.

Литература

1. Коваленок В.В., Иванченков А.С., Авакян С.В. Результативность визуально-инструментальных наблюдений в долговременных пилотируемых полетах // Пилотируемые полеты в космос. – 2016. – № 4(21). – С. 103-117.

2. Тимохин П.Ю. Система визуализации текстурированных моделей планет для тренировок проведения космических экспериментов // Программные продукты и системы. – 2015. – № 4. – С. 99-104.

3. NASA Earth Observatory: Earth at Night. URL: https://earthobserva-tory.nasa.gov/Features/ NightLights/ (дата обращения: 12.06.2018).

4. Тимохин П.Ю., Мальцев А.В. Метод распределенного синтеза увеличенных сверхбольших текстур Земли на основе наборов перекрытых тайлов // Виртуальное модел., прототип. и пром. дизайн. Материалы IV Международной научно-практической конференции, Тамбов. – 2017. – Выпуск 4, Том I. – С. 424-428.