Розробка трьохвимірних моделей та імітації фізичних процесів у реальному часі

Abstract

Актуальність роботи обумовлена наступними чинниками: зростання попиту на високореалістичні інтерактивні системи. Сучасні галузі, такі як індустрія комп’ютерних ігор, віртуальна та доповнена реальність, вимагають не просто статичної 3D-графіки, а динамічного середовища, яке реагує на дії користувача за законами фізики без затримок; необхідність безпечного та дешевшого навчання. Створення тренажерів для пілотів, водіїв, операторів важкої техніки або медичних хірургів дозволяє відпрацьовувати критичні ситуації у безпечному віртуальному просторі. Точна імітація фізики у реальному часі є критично важливою для того, щоб отримані навички відповідали реальності; розвиток концепції «цифрових двійників». У сучасній промисловості та архітектурі тестування поведінки об’єктів під дією фізичних навантажень у реальному часі дозволяє оптимізувати витрати на виробництво та запобігти аваріям ще на етапі проектування; технологічний прогрес апаратного забезпечення. Поява потужних багатоядерних процесорів та графічних прискорювачів з підтримкою апаратного трасування променів та спеціалізованих фізичних рушіїв відкрила нові можливості для обчислення складних фізичних систем безпосередньо під час рендерингу. Об’єктом кваліфікаційної роботи є процеси тривимірного моделювання та програмної імітації фізичних явищ у динамічних комп’ютерних середовищах.. Предметом роботи є методи та засоби побудови 3D-моделей, алгоритми імітації фізичних процесів, фізичного моделювання та інструментальні засоби розробки графіки реального часу. Метою кваліфікаційної роботи є дослідження алгоритмів тривимірної візуалізації та розробка програмної системи імітації фізичних процесів у реальному часі з використанням сучасних методів чисельного моделювання та комп’ютерної графіки. Робота складається зі вступу, основної частини (3 розділи), висновків та додатків. Пояснювальна записка складається зі вступу, трьох розділів, висновків та додатків. У вступі обґрунтовано актуальність роботи, визначено об’єкт, предмет, мету та завдання дослідження. У першому розділі проводиться аналіз законів класичної механіки, які лягають в основу імітації, методів чисельного інтегрування та рушіїв, що використовуються в індустрії для побудови 3D-моделей та імітації фізичних явищ. У другому розділі описано процес моделювання об’єкта та створення сітки, вибір фаз обробки зіткнень та використаний стек технологій, включаючи обрану мову та графічний API. У третьому розділі описана реалізація фізичного ядра та візуалізатора, застосування методів для підвищення продуктивності, проведення тестування точності та продуктивності розробленої системи, аналіз отриманих результатів та оцінка ефективності реалізованих рішень. Кваліфікаційна робота бакалавра містить 92 сторінки, 5 таблиць, 15 рисунків, 31 джерело та 3 додатки. The relevance of the work is determined by the following factors: increasing demand for highly realistic interactive systems. Modern industries, such as the computer game industry, virtual and augmented reality, require not just static 3D graphics, but a dynamic environment that responds to user actions according to the laws of physics without delays; the need for safe and cheaper training. Creating simulators for pilots, drivers, heavy equipment operators or medical surgeons allows you to practice critical situations in a safe virtual space. Accurate real-time physics simulation is critical to ensuring that the skills learned match reality; development of the concept of «digital doubles». In modern industry and architecture, testing the behavior of objects under the influence of physical exertion in real time allows to optimize production costs and prevent accidents even at the design stage; technological progress of hardware. The advent of powerful multi-core processors and graphics accelerators with support for hardware ray tracing and specialized physical engines opened up new opportunities for computing complex physical systems directly during rendering. The object of the qualification work is the processes of three-dimensional modeling and software simulation of physical phenomena in dynamic computer environments.. The subject of the work is methods and means of building 3D models, algorithms for simulating physical processes, physical modeling and tools for developing real-time graphics. The purpose of the qualification work is the study of three-dimensional visualization algorithms and the development of a software system for simulating physical processes in real time using modern methods of numerical modeling and computer graphics. The work consists of an introduction, the main part (3 chapters), conclusions and appendices. The explanatory note consists of an introduction, three chapters, conclusions and appendices. The introduction substantiates the relevance of the work, defines the object, subject, purpose and tasks of the research. The first chapter analyzes the laws of classical mechanics, which form the basis of imitation, numerical integration methods and drivers used in the industry to build 3D models and simulate physical phenomena. The second chapter describes the process of object modeling and grid creation, the selection of collision processing phases, and the technology stack used, including the selected language and graphics API. The third chapter describes the implementation of the physical core and visualizer, the application of methods to increase productivity, testing the accuracy and productivity of the developed system, analyzing the obtained results and evaluating the effectiveness of the implemented solutions. The bachelor’s thesis contains 92 pages, 5 tables, 15 figures, 31 sources and 3 appendices.