Программные продукты и системы

В последнее время все большее распространение получает оборудование для просмотра видео высокого разрешения (High-definition video, НD video), в том числе ЖК телевизоры и плазменные панели бытового использования, становятся общедоступными 3D-технологии и оборудование для стереоотображения. На рынок поставляется большое количество различных моделей устройств, поддерживающих стереорежим. Таким образом, популярность данного оборудования обусловливает растущий спрос на технологии подготовки видеоматериалов (видеоконтента) высокого разрешения в различных стереоформатах.

Источниками HD-видеоконтента могут быть записи реальных тренировочных, обучающих либо игровых процессов в имитационно-тренажер­ных комплексах, обучающих системах или игровых приложениях. Общим компонентом для таких систем является система трехмерной визуализации виртуальных сцен, которая обеспечивает синтез трехмерных изображений в режиме реального времени [1]. В Центре визуализации и спутниковых информационных технологий НИИСИ РАН создана собственная система визуализации [2], обладающая широким спектром возможностей синтеза трехмерных виртуальных сцен, в том числе с использованием распределенных вычислений.

Синтез трехмерных сцен в стереорежиме

Для создания стереоэффекта используются несколько различных технологий, основанных на разных принципах разделения ракурсов для правого и левого глаза [3]. В частности, распространены технологии активного стерео (применяются затворные очки), пассивного стерео (поляризационные очки и фильтры), анаглифические (используются очки с цветными светофильтрами), а также автостереоскопические системы, не требующие использования очков.

Для разных устройств стереоотображения используются различные форматы представления видеоданных в стереорежиме. Среди них можно выделить анаглифический формат, горизонтальную и вертикальную стереопары (Side-By-Side), чересстрочное представление (Interlaced Stereo), форматы для автостереоскопических  мониторов (например, формат WowVx 2D+Depth для мониторов Philips 3D Solutions). Рассмотрим особенности этих стереоформатов и соответствующие технологии синтеза сцены в системе визуализации. Более подробно алгоритмы реализации  данных стереоформатов описаны в [4].

Анаглифический формат стереоизображения предназначен для систем с анаглифическими очками, использующих метод спектральной сепарации стереопары (рис. 1). Этот метод заключается в том, что цветовой спектр делится на две части: одна часть отдается для левого ракурса, а другая для правого. Каждый ракурс пропускается через свой фильтр, который отделяет собственную часть спектра. Итоговое изображение получается суммированием обработанных ракурсов. Последующее воспроизведение происходит с помощью очков с двумя разными фильтрами – для правого и левого глаза. При разделении ракурсов с помощью очков каждый глаз видит ракурс с урезанным спектром, однако человеческий мозг по мере возможности восстанавливает исходный цветовой спектр, и мы видим полноцветное изображение. Наиболее распространен вариант красно-голубых (red-cyan) фильтров, также используются желто-зеленые очки и очки со сложным спектром светопропускания. Для реализации данного режима необходимо синтезировать на экране два ракурса, применив для каждого глаза свою цветовую фильтрацию. В случае использования красно-голубых очков цветовая фильтрация ракурса для левого глаза заключается в пропускании только красной составляющей цвета, а для правого глаза – синего и зеленого цветов.

Еще одним широко распространенным форматом для представления данных в стереорежиме является формат горизонтальной (horizontal) или вертикальной стереопары (vertical side-by-side). Изображения, соответствующие разным ракурсам, записываются в общее изображение, разделенное пополам либо по вертикали, либо по горизонтали. Реализация стереорежима в таком формате заключается в формировании в нужных областях окна изображений, соответствующих левому и правому глазу. Рассмотрим реализацию формата горизонтальной стереопары. В этом режиме левая половина изображения предназначена для левого глаза, а правая – для правого. Очевидно, что необходимо разделить окно визуализации пополам и синтезировать в левой и правой его частях изображения с помощью виртуальных камер, соответствующих левому и правому глазу.

Часть оборудования для стереоотображения использует чересстрочный формат (его также называют line-by-line). Он организован так, что в четных и нечетных строках попеременно записываются изображения для правого и левого глаза. Чересстрочный формат, наример, используют мониторы Zalman TriMon, JVC GD-463D10E, Hyundai 3D и другие. Для сепарации изображений стереопары в них применяется технология круговой поляризации. На дисплей нанесена специальная пленка, преобразующая линейно-поляризован­ный свет в свет с круговой поляризацией с разным направлением для четных и нечетных строк. Идея предлагаемого алгоритма формирования изображения в чересстрочном формате состоит в следующем. На начальном этапе синтезируется изображение сцены для левого и правого глаза в нижнюю и верхнюю половины экрана соответственно (в экранный буфер). После этого копируется содержимое буфера в текстуру. Затем рисуются прямоугольники размером в одну строку с текстурными координатами, соответствующими нужной строке полученной текстуры (рис. 2). Чтобы не было искажения размеров объектов, при формировании изображений для левого и правого глаза необходимо скорректировать соотношение (аспект) для камеры, установив его равным аспекту всего окна (W/H), а не аспекту области вывода одного глаза (W/(H/2)).

В последнее время на рынке стереооборудования появились так называемые автостереоскопические мониторы, которые не требуют использования очков при просмотре стереоизображений. Сепарация ракурсов в них осуществляется с помощью системы вертикальных линз, которые обеспечивают разделение светового потока таким образом, что каждый глаз наблюдает только предназначенные для него изображения. Эти мониторы являются многоракурсными и позволяют наблюдать стереоэффект не только в фиксированной зоне напротив экрана, но и из нескольких фиксированных положений (рис. 3). К мониторам такого типа относится Philips 3D Solutions со специальным стереоформатом WowVx «2D+Depth», который содержит не стереопару, как большинство других форматов, а в дополнение к обычному (2D) изображению хранит информацию о глубине (Depth), на основе которой монитор строит изображения для нескольких ракурсов (рис. 4).

Информация, описывающая глубину, явным образом размещается в изображении и записывается в виде градаций серого цвета. Значение интенсивности кодируется восемью битами (8 бит) в диапазоне [0, 255]. Значение 0 соответствует максимально удаленным объектам, которые монитор может воспроизвести в стерео. Значение 128 соответствует объектам, которые при настройках по умолчанию будут восприниматься лежащими в плоскости экрана. Значение 255 кодирует области, максимально выходящие из экрана. Таким образом, диапазон [0, 128) задает области за экраном, а (128, 255] – области перед экраном. Для перевода в данное представление информации о реальной глубине объектов, которая доступна при визуализации, требуется задать преобразование значения координаты Z пикселей в диапазон [0, 255]. Для реализации такого преобразования существует множество вариантов. Рассмотрим один из них. Можно выделить некоторый диапазон глубины, представляющий наибольший интерес применительно к данной сцене. Этот диапазон задается вручную пользователем с помощью фиксации ближней и дальней плоскостей, ограничивающих интересующую область. Ближней плоскости ставится в соответствие значение 255, дальней – значение 0. Объекты, располагающиеся в заданном диапазоне глубины, полностью используют диапазон симулируемой монитором глубины стереоэффекта. Рассмотренное преобразование реализуется с помощью синтеза сцены на отдельном проходе с помощью шейдерной обработки. Соответствующая шейдерная программа имеет минимальную вычислительную сложность.

Рассмотрим общую технологию синтеза видеороликов в системе визуализации реального времени.

  Синтез видеороликов в системе визуализации реального времени

Наиболее простой подход к синтезу видеороликов в системе трехмерной визуализации состоит в прямом захвате синтезированного изображения из буфера кадра и покадровой записи в видеофайл. Однако для обеспечения режима реального времени он в большинстве случаев не подходит. Процесс захвата кадра, его сжатие и запись имеют очень высокую вычислительную сложность и требуют сверхвысокопроизводительной дисковой подсистемы. Для записи несжатого HD-файла с разрешением 1920´1080 и скоростью воспроизведения 24 кадра в секунду требуется производительность дисковой подсистемы в 142 Мб/с. Для записи сжатого видео требуется меньшая дисковая производительность, особенно для современных форматов сжатия (например, стандарта Н.264). Однако задача эффективного сжатия требует высоких вычислительных ресурсов и пока не может быть выполнена в реальном режиме времени. Для решения данной проблемы предлагается использовать другой подход – записать в каждом кадре параметры виртуальной сцены, позволяющие полностью восстановить ее внешний вид, и затем по ним выполнить последующий синтез видео в отдельном процессе. При таком подходе требование реального времени на этапе синтеза видеоролика не выставляется, процесс может осуществляться без ущерба качеству и в произвольном разрешении, не привязанном к разрешению экрана, используемому на этапе записи тренировки. Диаграмма связей такого двухступенчатого подхода представлена на рисунке 5.

Для решения задачи записи и последующего воспроизведения тренировок в систему визуализации добавляется дополнительный блок обработки тренировок [5]. Рассмотрим схему его функционирования. Для записи процесса тренировки выбирается диапазон времени между кадрами записи (шаг записи). Для последующего синтеза видеоролика он должен совпадать с его желаемой скоростью (возможные варианты – 24, 25, 30, 50 кадров в секунду). Если при моделировании используется тот же шаг времени, задача фиксации параметров сцены значительно упрощается: необходимо лишь сохранить в файл результаты моделирования текущего шага. В противном случае моменты времени расчета динамики и записи состояния не совпадают. В результате возникает проблема вычисления значений параметров виртуальной сцены в момент записи. Для ее решения существуют по крайней мере два подхода. Первый заключается в выборе последнего рассчитанного значения параметра. Этот подход очень прост, однако имеет существенные недостатки: записанная траектория движения объекта сцены может существенно отличаться от исходной, кроме этого, на графике записанного параметра могут наблюдаться рывки, отсутствующие в исходной траектории. Второй подход, который позволяет устранить эти проблемы, состоит в интерполяции значений параметров, рассчитанных в соседние моменты времени. Для этого могут применяться обычная линейная интерполяция, а также квадратичные функции или полиномы более высоких порядков.

Для записи файла тренировки (rec-файла) используется следующая структура данных. В начале файла записывается  заголовок, содержащий  общую информацию:

–      идентификатор rec-файла, позволяющий проверить соответствие файла нужному формату;

–      имена файлов всех трехмерных сцен, используемых в тренировке;

–      количество пакетов;

–      шаг записи в миллисекундах;

–      продолжительность тренировки в миллисекундах.

Вслед за заголовком в файл записываются пакеты, описывающие параметры виртуальной сцены на соответствующих шагах записи. Каждый пакет имеет собственный заголовок, в котором записываются размер пакета и данные, описывающие параметры виртуальной сцены. Для записи этих данных используется так называемая чанковая структура. Под чанком понимается структура, имеющая заголовок (содержит идентификатор данных и размер данных) и блок данных. Такая организация позволяет обеспечить расширение формата хранения с сохранением обратной совместимости его версий. Чанки с новыми идентификаторами, не известными предыдущей версии формата, будут просто пропускаться, не нарушая общее функционирование системы.

В качестве примеров записываемых параметров виртуальной сцены можно привести следующие:

–      преобразование системы координат объекта, записываемое в виде совокупности вектора перемещения v, задающего преобразование сдвига, и кватерниона единичной длины q, задающего ориентацию объекта;

–      флаг сокрытия/открытия объекта или источника света;

–      раствор камеры;

–      раствор прожектора;

–      интенсивность источника света.

Процедура синтеза видеоролика из rec-файла состоит в последовательном чтении рассмотренных выше пакетов, соответствующих очередному кадру, и в восстановлении по ним состояний виртуальной сцены. Из таких снимков параметров виртуальной сцены блок записи видеоролика формирует результирующий видеофайл. Рассмотрим этот блок и используемые в нем технологии.

  Запись видеороликов высокого разрешения

В предлагаемой технологии запись результирующего видеоролика осуществляется покадрово. Из полученного снимка параметров виртуальной сцены блок записи с помощью функции визуализации синтезирует в видеопамяти изображение высокого разрешения, устраняет визуальные артефакты, связанные с алиасингом (ступенчатостью изображения сцены), сжимает изображение и записывает его в видеофайл (в данной работе выбран контейнер avi). Схема блока записи показана на рисунке 6. Рассмотрим подробнее основные этапы его работы.

При визуализации в графическом ускорителе изображение синтезируется в буфере цвета, входящем в буфер кадра. Максимальные размеры буфера цвета ограничены разрешением экрана, что не позволяет синтезировать в нем изображения более высокого разрешения. Для решения этой задачи предлагается использовать внеэкранный рендеринг – подход, при котором изображение синтезируется во внеэкранном буфере видеопамяти, максимальные размеры которого в несколько раз превышают размеры буфера кадра (для современных ускорителей максимальный размер внеэкранного буфера составляет до 8192´8192 против 2056´1600 у экранного буфера). Одной из распространенных технологий, позволяющих реализовать этот подход, является технология Frame­BufferObject (FBO) [6]. В предлагаемой реализации в видеопамяти создается внеэкранный буфер кадра, к которому в качестве буфера цвета подключается созданная ранее текстура, имеющая размеры видеокадра. Для синтеза изображения в данный буфер перед визуализацией кадра он устанавливается в качестве целевого.

Как уже было отмечено, визуальные артефакты, связанные с алиасингом, проявляются в виде ступенчатости изображения сцены, а при движении камеры в сценах с высокой детальностью геометрии – и в виде мерцания мелких деталей на изображении сцены. Для решения этой проблемы в настоящее время используется полноэкранное сглаживание изображения (full-scene anti-aliasing, FSAA). Одним из распространенных методов FSAA является сглаживание со множественной выборкой (multisample anti-aliasing, MSAA), при котором каждый пиксель (сэмпл), расположенный в области ступенчатости, делится на субпиксели (2, 4, 8 и т.д. – в зависимости от установленного уровня выборки), цвет которых оценивается и усредняется для общего пикселя. Большее количество субпикселей обеспечивает более высокое качество сглаживания. При синтезе изображения в буфере кадра MSAA выполняется автоматически драйвером видеокарты. В предлагаемой реализации с внеэкранным синтезом изображения MSAA выполняется при специальном копировании внеэкранного буфера кадра. Для этого изображение вначале синтезируется в буфере отображения MSAA, подключенном к дополнительному вне- экранному буферу кадра, а затем копируется с интерполяцией в текстуру, подключенную к основному внеэкранному буферу. При таком копировании драйвер видеокарты автоматически выполняет интерполяцию субпикселей буфера отображения в пиксели текстуры, формируя в результате сглаженное изображение.

Для сжатия и записи синтезированного изображения в avi-файл предлагается использовать распространенное API Video For Windows (VFW). Перед записью видеоролика создается и открывается avi-файл, открывается входной несжатый видеопоток и привязывается к ранее открытому файлу. С помощью стандартного диалога пользователь выбирает необходимый видеокодек из списка всех установленных в операционной системе кодеков и настраивает его параметры. На основе выбранного кодека и данных о входном видеопотоке открывается сжатый выходной видеопоток, который будет записываться в avi-файл. Для этого потока устанавливается формат поступающих растровых изображений (структура типа BitMap­InfoHeader), которые бу- дут передаваться в поток в качестве кадров. При записи видеоролика растровое изображение высоко- го разрешения, синтези- рованное в видеопамяти, захватывается с помощью OpenGL в битовый массив в оперативной памяти и передается во входной видеопоток. Кадры входного потока сжимаются выбранным кодеком, передаются в выходной сжатый видеопоток и записываются в avi-файл. В конце записи видеоролика видеопотоки и avi-файл закрываются.

При синтезе видеоролика в системе визуализации пользователю также необходимо иметь возможность просматривать на экране записываемые кадры (например, для выбора момента начала или конца записи ролика). При предлагаемом внеэкранном методе синтеза видеоролика записываемые кадры визуализируются с помощью вписанного в экран прямоугольника с наложенной на него текстурой, содержащей синтезированное изображение виртуальной сцены. При этом разрешение текстуры приводится к разрешению экрана с помощью фильтрации текстуры, а геометрические координаты вершин прямоугольника вычисляются таким образом, чтобы было сохранено соотношение сторон кадра видеоролика: P0=(0, ytop), P1=(0, ybottom), P2=(wd, ybottom), P3=(wd, ytop), где ytop,bottom=(hdwv ±wdhv) / 2wv, а wv, hv и wd, hd – ширина и высота кадра видеоролика и экрана в пикселях.

С учетом приведенного соотношения предлагается следующий алгоритм работы блока записи видеоролика высокого разрешения.

1.     Создать и открыть avi-файл.

2.     Открыть входной несжатый видеопоток Vin.

3.     Выбрать формат сжатия С.

4.     Открыть выходной видеопоток Vout со сжатием С.

5.     Создать внеэкранный буфер кадра FBOsingle с подключенной текстурой T.

6.     Создать внеэкранный буфер кадра FBOmultisample с подключенным MSAA буфером отображения R.

7.     Цикл по синтезируемым кадрам:

a) установить буфер FBOmultisample в качестве цели рендеринга;

b) визуализировать снимок параметров виртуальной сцены;

c) копировать с интерполяцией буфер отображения R буфера FBOmultisample в текстуру T буфера FBOsingle;

d) захватить текстуру T в битовый массив в оперативной памяти;

e) передать битовый массив во входной видеопоток Vin;

f) установить экранный буфер кадра в качестве цели рендеринга;

g) визуализировать прямоугольник, вписанный в экран, с наложенной текстурой T.

Конец цикла.

8.     Удалить внеэкранный буфер кадра FBOsingle.

9.     Удалить внеэкранный буфер кадра FBOmultisample.

10. Закрыть входной видеопоток Vin.

11. Закрыть выходной видеопоток Vout.

12. Закрыть avi-файл.

В заключение необходимо отметить, что предложенные технологии в полном объеме были реализованы в системе визуализации [1]. На рисунке 7 отображен диалог настройки, предоставляющий возможности по изменению размеров изображения, степени сглаживания, настройке видеокодека и стереорежима.

Разработанный программный модуль позволяет синтезировать высококачественные моно- и стереовидеоролики формата avi с разрешением до 8192´8192 со сглаживанием по 16 субпикселям с использованием установленного в системе видеокодека. Поддерживается несколько стереоформатов, включая анаглифический, чересстрочный, формат вертикальной и горизонтальной стереопары и формат для автостереоскопических мониторов Philips.

Программный модуль может найти применение для широкого круга задач, где требуется синтез высококачественного видеоматериала, в том числе при построении имитационно-тренажерных комплексов, обучающих систем и игровых приложений. В дальнейших исследованиях предполагается рассмотреть вопрос более эффективного сжатия файлов записей, а также поддержку дополнительных контейнеров хранения видеоданных (mkv, mp4, ts).

Литература

1.     Михайлюк М.В. Компьютерная графика в системах визуализации имитационно-тренажерных комплексов // Программные продукты  и системы. 2003. № 3. С. 7–15.

2.     Михайлюк М.В., Торгашев М.А. Система «GLVIEW» визуализации для моделирующих комплексов и систем виртуальной реальности // Вестн. РАЕН. 2011. № 2. C. 20–28.

3.     Хураськин И.А. Создание виртуального окружения в тренажерных комплексах: сб. докл. междунар. науч. конф., посвященной 80-летию со дня рожд. акад. В.А. Мельникова, 2009. C. 122–125.

4.     Торгашев М.А. Реализация стереорежима в реальном масштабе времени для различных устройств отображения // Программные продукты и системы. 2010. № 2. C. 23–29.

5.  Торгашев М.А. Реализация режимов записи и воспроизведения тренировок в имитационно-тренажерных комплексах моделирования сложных динамических систем: сб. тр. НИИСИ РАН, 2011. Т. 1. № 2. C. 59–61.

6.     Боресков А.В. Разработка и отладка шейдеров. СПб, 2006. 496 с.