магистр
Master
начальник научно-исследовательского отдела
Head of the Research Department Institute of Theoretical and Mathematical Physics
В данной статье рассматривается разработка и реализация инструментов интерактивного скрытия полупространства моделируемой области для систем проектирования. Актуальность исследования обусловлена необходимостью эффективного анализа внутренних структур сложных 3D-моделей на препроцессорном этапе. В качестве инструментов для реализации алгоритма интерактивного скрытия было выбрано использование языка программирования C++ в интеграции с библиотеками визуализации VTK и OpenGL, а также применение языка шейдеров GLSL. В работе подробно описана математическая модель и реализация интерактивного 3D-виджета, позволяющего пользователю в реальном времени управлять положением и ориентацией секущей плоскости посредством аффинных преобразований (переноса, вращения, масштабирования). Особое внимание в исследовании уделено реализации алгоритмов для двух типов данных. Для геометрических моделей разработан подход на базе вершинных и фрагментных шейдеров: вычисляется положение вершин относительно уравнения плоскости, выполняется отсечение элементов и отбрасываются только те, которые находятся над плоскостью, затем выполняется интерполяция по примитиву, а использование буфера трафарета (stencil buffer) обеспечивает корректное «закрашивание» сечения для сохранения иллюзии сплошного объекта. Для сеточных моделей реализован алгоритм топологической фильтрации, который физически отсекает ячейки и выполняет перестроение элементов, пересекаемых плоскостью. Разработанный функционал имеет высокую практическую значимость для ускорения процесса подготовки моделей. Результаты тестирования на ряде моделях демонстрируют высокую скорость работы алгоритма, корректность отображения срезов, эффективное использование ресурсов для своей задачи, а также высокую масштабируемость. Практическая значимость работы заключается в интеграции разработанных инструментов интерактивного скрытия в специализированное программное обеспечение, что позволяет инженерам-расчетчикам существенно ускорить процесс подготовки моделей, эффективно выявлять геометрические коллизии и задавать граничные условия как на поверхностных, так и на внутренних элементах.
This paper discusses the development and implementation of tools for interactive hiding of the half-space of a modeled area for design systems. The relevance of this research comes from the need for effective analysis of the internal structures of complex 3D models at the pre-processing stage. The C++ programming language is chosen as the tool to implement the interactive occlusion algorithm, integrated with the VTK and OpenGL visualization libraries, as well as the GLSL shader language. The paper describes in detail the mathematical model and implementation of an interactive 3D widget that allows the user to control the position and orientation of the cutting plane in real time using affine transformations (translation, rotation, scaling). The study pays particular attention to the implementation of algorithms for two types of data. An approach based on vertex and fragment shaders has been developed for geometric models: the position of vertices relative to the plane equation is calculated, elements are clipped, and only those above the plane are discarded, then interpolation is performed on the primitive, and the use of a stencil buffer ensures correct “coloring” of the cross-section to preserve the illusion of a solid object. A topological filtering algorithm is implemented for mesh models that physically cuts off cells and rearranges elements intersected by the plane. The developed functionality is of high practical importance, as it is designed to speed up the model preparation process. Testing results on a number of models demonstrate the high speed of the algorithm, the correctness of the display of cross-sections, the efficient use of resources for its task, and high scalability. The practical significance of the work lies in the integration of the developed interactive occlusion tools into specialized software, which allows engineers to significantly speed up the model preparation process, effectively identify geometric collisions, and set boundary conditions on both surface and internal elements.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.