Построение изображений ландшафта в реальном времени

3.2.2.3.1 Требования к расположению файлов программы

Открытие файлов *.lnd возможно тремя способами:

Тестирование проводилось на компьютере Pentium IV - 2.67 GHz/768 Mb/GeForce4 MX-440, AGP 8x, DDR 128 Mb.

Были проведены следующие исследования:

1) исследование временных характеристик алгоритмов закраски - для 3 реализованных в работе алгоритмов были произведены исследования зависимости скорости работы от числа треугольников ландшафта;

2) исследование временных характеристик загрузки различных типов LND-файлов (текстового и типизированного);

3) исследование результатов использования метода группового кодирования при создании HCL-файлов.

В качестве тестовой карты в исследованиях № 1 и 2 была взята карта “Алтай.hcl”. Размеры карты “Алтай.hcl”: 430x409x39 пикселей (X x Y x Z).

4.1. Исследование № 1

Условия теста: в «Редактор карт» была загружена выбранная карта, далее, с изменяемым от 1 до 20 пикселей, шагом разбиения карты, строились ландшафты. Во время тестов никаких манипуляций с изображением ландшафта не производилось - оно оставалось в том положении, в котором находилось непосредственно после загрузки. Результаты теста приведены в таблице:

Таблица 4.1.1. Результаты исследования № 1

Для большей наглядности приведем графики зависимости числа кадров, обрабатываемых за 1 секунду, от шага разбиения и числа треугольников ландшафта:

Рис. 4.1.1. Результаты исследования № 1

Из приведенных выше таблицы и диаграммы можно сделать следующие выводы:

· увеличение числа треугольников ландшафта вызывает уменьшение числа кадров, обрабатываемых за 1 секунду;

· закраска по Фонгу требует наибольших вычислительных ресурсов по сравнению со всеми остальными методами, в тоже время скорость ее работы меньше всего зависит от числа треугольников ландшафта;

· при увеличении числа треугольников ландшафта разница в скорости работы рассмотренных алгоритмов уменьшается. Когда карта разбивается на треугольники с шагом 1 x 1, различие между алгоритмами становится минимальным - как по скорости работы, так и по качеству получаемого изображения (однотонная закраска выглядит менее качественно, чем закраска Фонга и Гуро).

4.2. Исследование № 2

При разработке программного комплекса формат файла LND (для хранения информации о треугольниках ландшафта) менялся. На начальной стадии разработки эти изменения касались только добавления новых полей в записи, хранимые в файле, тип файла был текстовым. Но постепенно карты ландшафтов, разрабатываемых в «Редакторе карт», становились все более сложными, они требовали все большей детализации. Поэтому возрастали объемы LND-файлов, При этом время загрузки значительно увеличивалось и становилось совершенно неудовлетворительным. В результате было принято решение изменить тип LND-файла, сделать его типизированным. После этого время загрузки LND-файлов в «Просмотр ландшафта» значительно сократилось. Следует заметить, что скорость записи информации в текстовый и типизированный файлы практически не отличается. Ниже приведены временные характеристики загрузки текстовых и типизированных LND-файлов.

Таблица 4.2.1. Результаты исследования № 2

Для большей наглядности построены графики зависимости времени загрузки файла от его объема:

Рис. 4.2.1. Результаты исследования № 2

Из проведенного исследования можно сделать следующие выводы:

· время загрузки ландшафта из текстового файла значительно больше времени загрузки из типизированного файла (при малых объемах файлов это различие составляет десятки раз, при увеличении объемов оно достигает тысяч (!!!) раз);

· такое отличие времени загрузки, очевидно, объясняется постоянным преобразованием информации из символьного представления в числовое (работой функций Val или StrToFloat) при загрузке из текстового файла, в то время как при чтении из типизированного файла такого преобразования не требуется;

· использование типизированных файлов полностью оправдано за счет колоссального увеличения скорости загрузки ландшафтов, даже несмотря на почти троекратное увеличение объема получаемых LND-файлов.

4.3 Исследование № 3

Как уже говорилось, при создании HCL-файлов, хранящих информацию о разметке карт, используется метод группового кодирования. Этот метод уже был описан выше, поэтому в данном разделе будет приведена информация, доказывающая эффективность использования метода, и выяснена степень этой эффективности.

Демонстрация результатов использования метода была проведена на следующем наборе карт (размеры приведены в пикселях):

· Австралия.hcl (500 x 395);

· Алтай.hcl (430 x 409);

· Африка.hcl (700 x 730);

· Несжимаемый.hcl (200 x 200);

· Тест сглаживания.hcl (400 x 200);

· Южная Америка.hcl (735 x 1125).

Ниже приведена таблица, которая позволила бы выяснить степень сжатия изображения при использовании метода группового кодирования:

Таблица 4.3.1. Результаты исследования № 3

Из проведенного исследования можно сделать следующие выводы:

· применение метода группового кодирования в данной работе полностью оправдано, поскольку при использовании его в отношении карт изообластей высот, наблюдаются достаточно высокие показатели сжатия (от 9:1 до 29:1, карта «Тест сглаживания» не учитывается, так как она не является реальной картой). Единственным недостатком использования этого метода является незначительное увеличение времени загрузки кодированных файлов в программу «Редактор карт» (это не демонстрировалось в данном исследовании);

· единственный случай, когда размер кодированного файла превышает размер исходного файла, наблюдается на специальном примере, призванном продемонстрировать недостаток метода.

5. Заключение

Разработанный программный комплекс отвечает всем предъявляемым к нему требованиям. Он обеспечивает возможность создания карт изообластей («Редактор карт») и построения в реальном времени на их основе трехмерных изображений ландшафтов («Просмотр ландшафта»). В нем реализованы все рассмотренные в данной работе алгоритмы машинной графики. Проведены исследования работы алгоритмов на различных наборах исходных данных. Тем не менее, существует множество путей усовершенствования описанного программного комплекса.

Во-первых, построение ландшафта возможно только на основе четко размеченной карты изообластей высот - невозможно использование, например, файла, полученного в результате сканирования некоторой карты. Но подготовка (разметка) карты изообластей вручную - очень трудоемкий процесс. Автоматизация процесса разметки значительно расширила бы возможности программного комплекса.

Во-вторых, получаемые изображения трехмерных ландшафтов выглядят не реалистично - они лишь позволяют получить представление о рельефе рассматриваемой области. Кроме того, изображение просматриваемого ландшафта не предоставляет пользователю информации о географических объектах, присутствующих в области, представляемой ландшафтом. Добавление возможности текстурирования и подписи географических объектов повысили бы информативность получаемого изображения ландшафта.

Однако, описанные проблемы очень сложны (распознавание и разметка карт), а некоторые из них выходят за рамки машинной графики.

6. Список литературы

1. Роджерс Д. Алгоритмические основы машинной графики: пер. с англ.-- М.: Мир, 1989.-- 512 с.: ил.

2. Порев В. Н. Компьютерная графика. - СПб.: БХВ-Петербург, 2002. - 432 с.: ил.

3. Никулин Е. А. Компьютерная геометрия и алгоритмы машинной графики. СПб.: БХВ-Петербург, 2003. - 560с.: ил.

4. Авдеева С.М., Куров А.В. Алгоритмы трехмерной машинной графики: Учебное пособие. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1996. - 60 с.: ил.

5. Архангельский А.Я. Приемы программирования в Delphi. - М.: ООО «Бином-Пресс», 2003. - 784 с.: ил.

6. http://www.xdev.ru - «Генерация трехмерных ландшафтов».

Оглавление

• 1. Введение 1
• 2. Конструкторская часть 2
• 2.1. Выбор, обоснование и описание используемых алгоритмов и понятий машинной графики 2
• 2.1.1. Равномерная сетка высот 2
• 2.1.2. Сглаживание ландшафта 4
• 2.1.3. Трехмерные аффинные преобразования 5
• 2.1.4. Проецирование 6
• 2.1.5. Отображение в окне 7
• 2.1.6. Алгоритм Z-буфера 8
• 2.1.7. Освещение 10
• 2.1.7.1. Однотонная закраска (метод гранения) 11
• 2.1.7.2. Метод Гуро 11
• 2.1.7.3. Метод Фонга 13
• 2.1.7.4. Анализ методов Гуро и Фонга 14
• 2.1.8. Последовательность действий при визуализации сцены 15
• 2.2. Типы, структуры данных и функции,
  использованные при реализации программного комплекса 16
• 2.2.1. Представление исходных данных 16
• 2.2.2. Программа «Редактор карт» 16
• 2.2.2.1. Изообласти высоты 16
• 2.2.2.2. Равномерная сетка высот и ландшафт 16
• 2.2.2.3. Тип и структура файла для хранения карт изообластей 18
• 2.2.2.4. Распределение программы по модулям 19
• 2.2.2.5. Связи между модулями программы 20
• 2.2.3. Программа «Просмотр ландшафта» 21
• 2.2.3.1. Процедуры манипуляции изображением ландшафта 21
• 2.2.3.2. Z-буфер 22
• 2.2.3.3. Буфер кадра 22
• 2.2.3.4. Процедуры визуализации ландшафта 22
• 2.2.3.2. Тип и структура файла для хранения ландшафта 23
• 2.2.3.3. Распределение программы по модулям 24
• 2.2.3.4. Связи между модулями программы 25
• 3. Технологическая часть 26
• 3.1. Выбор языка программирования 26
• 3.2. Описание программного комплекса 26
• 3.2.1. Программа «Редактор карт» 26
• 3.2.1.1. Общие сведения 26
• 3.2.1.2. Интерфейс программы 27
• 3.2.1.3. Работа программы 29
• 3.2.2. Программа «Просмотр ландшафта» 30
• 3.2.2.1. Общие сведения 30
• 3.2.2.2. Интерфейс программы 30
• 3.2.2.3. Работа программы 33
• 3.2.3. Системные требования 34
• 4. Экспериментально-исследовательская часть…. 35
• 4.1. Исследование № 1 36
• 4.2. Исследование № 2 38
• 4.3. Исследование № 3 40
• 5. Заключение 41
• 6. Список литературы 42