procyberВестник кибернетикиProceedings in Cybernetics1999-7604Бюджетное учреждение высшего образования Ханты-Мансийского автономного округа – Югры «Сургутский государственный университет»procyber-185Research ArticleТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИEngeneeringИспользование пространственного разбиения при реализации взаимодействия систем частиц с виртуальной средой на GPUUsing Spatial Subdivision in Implementing the Interaction of Particle Systems with Virtual Environment on GPUМальцевА. В.MaltsevA. V.avmaltcev@mail.ruОмельченкоД. В.OmelchenkoD. V.Федеральный научный центр Научно-исследовательский институт системных исследований Российской академии наукРоссияSystem Research Institute, Russian Academy of SciencesRussian Federation20182503202003 (31)181187Copyright © Мальцев А.В., Омельченко Д.В., 20202020Мальцев А.В., Омельченко Д.В.Maltsev A.V., Omelchenko D.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.vestcyber.ru/jour/article/view/185

Одним из наиболее распространенных типов взаимодействия объектов друг с другом являются столкновения, или коллизии. В работе предложены распределенные методы и алгоритмы вычисления точек коллизий при моделировании взаимодействия систем частиц с объектами виртуальной среды. Рассматриваемые решения основаны на пространственном разбиении трехмерной сцены с помощью регулярной сетки, построение которой выполняется в масштабе реального времени на современном многоядерном графическом процессоре с поддержкой архитектуры параллельных вычислений CUDA. Поиск точки столкновения для каждой частицы также производится на GPU. Для этого анализируются возможные пересечения траектории движения частицы с полигонами, принадлежащими ячейкам сетки, пройденным частицей за промежуток времени между рендерингом текущего и предыдущего кадров изображения виртуальной сцены. На основе предложенных методов и алгоритмов созданы программные модули для систем визуализации трехмерных виртуальных сцен, обеспечивающие распределенное моделирование и визуализацию коллизий систем частиц с объектами виртуальной среды на CUDA-совместимом графическом процессоре в масштабе реального времени. Данные модули прошли успешную апробацию и показали свою применимость в имитационно-тренажерных комплексах и системах виртуального окружения.

Collisions are one of the most common types of object interaction with each other. This paper proposes distributed methods and algorithms for collision point calculation under simulation of particle system interaction with objects of virtual environment. Considered solutions are based on spatial subdivision of three-dimensional scene by means of regular grid, which is built in real time on a modern multicore graphics processor supporting the parallel computing architecture CUDA. Collision point search for each particle is performed on GPU as well. In this regard, possible intersections of particle's movement trajectory with polygons in grid cells are analyzed. Moreover this particle passed the grid at the time interval between rendering of the last and current frames of a virtual scene image. Based on proposed methods and algorithms, software modules for visualization systems of three-dimensional virtual scenes are created. They provide distributed simulation and visualization of particle system collisions with virtual environment objects on the CUDA-supported graphics processor in real time. The modules have been successfully tested and demonstrated their applicability in simulation-training complexes and virtual environment systems.

визуализациясистема частицрегулярная сеткаколлизииCUDAvisualizationparticle systemregular gridcollisionsCUDAИсследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 16-07-00796.ReferencesMing C. Lin, Gottschalk S. Collision detection between geometric models: a survey // Proc. of IMA conference on mathematics of surfaces. 1998. V. 1. Р. 602–608.Ming C. Lin, Gottschalk S. Collision detection between geometric models: a survey // Proc. of IMA conference on mathematics of surfaces. 1998. V. 1. Р. 602–608.Reeves W. T. Particle systems – a technique for modeling a class of fuzzy objects // Computer Graphics. SIGGRAPH. 1983. P. 359–376.Reeves W. T. Particle systems – a technique for modeling a class of fuzzy objects // Computer Graphics. SIGGRAPH. 1983. P. 359–376.Baciu G., Wong S.-K. Image-based techniques in a hybrid collision detector // IEEE Trans. on Visualization and Computer Graphics. 2003. V. 9. P. 254–271.Baciu G., Wong S.-K. Image-based techniques in a hybrid collision detector // IEEE Trans. on Visualization and Computer Graphics. 2003. V. 9. P. 254–271.Kolb A., Latta L., Rezk-Salama C. Hardware-based Simulation and Collision Detection for Large Particle Systems // Proc. of the ACM SIGGRAPH/EUROGRAPHICS conference on Graphics hardware. 2004. P. 123–131.Kolb A., Latta L., Rezk-Salama C. Hardware-based Simulation and Collision Detection for Large Particle Systems // Proc. of the ACM SIGGRAPH/EUROGRAPHICS conference on Graphics hardware. 2004. P. 123–131.Мальцев А. В., Страшнов Е. В. Использование z-буфера для поиска столкновений частиц с объектами 3D сцены // Тр. НИИСИ РАН. 2018. Т. 8. № 1. C. 52–55.Мальцев А. В., Страшнов Е. В. Использование z-буфера для поиска столкновений частиц с объектами 3D сцены // Тр. НИИСИ РАН. 2018. Т. 8. № 1. C. 52–55.Havran V., Herzog R., Seidel H.-P. On the fast construction of spatial hierarchies for ray tracing // Proceedings of the 2006 IEEE Symposium on Interactive Ray Tracing. 2006. P. 71–80.Havran V., Herzog R., Seidel H.-P. On the fast construction of spatial hierarchies for ray tracing // Proceedings of the 2006 IEEE Symposium on Interactive Ray Tracing. 2006. P. 71–80.Torres R., Martin P. J., Gavilanes A. Ray casting using a roped BVH with CUDA // 25th Spring Conference on Computer Graphics (SCCG 2009). P. 107–114.Torres R., Martin P. J., Gavilanes A. Ray casting using a roped BVH with CUDA // 25th Spring Conference on Computer Graphics (SCCG 2009). P. 107–114.Мальцев А. В. Построение адаптивной регулярной сетки трехмерной сцены в реальном режиме времени // Программные продукты и системы. 2010. № 4. C. 41–45.Мальцев А. В. Построение адаптивной регулярной сетки трехмерной сцены в реальном режиме времени // Программные продукты и системы. 2010. № 4. C. 41–45.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.