Программно-аппаратные решения потоковой обработки данных и их применение в моделировании физических процессов и приложениях виртуальной реальности

Целями исследования являются: Разработка алгоритмов и методов потоковой обработки данных, оптимально использующих возможности современных компьютерных архитектур. Применение полученных результатов в областях уменьшения последствий природных катастроф, создании многофункциональных тренажерно-обучающих систем (в частности, для Центра подготовки космонавтов им. Ю.А. Гагарина), при математическом и компьютерном моделировании физических и виртуальных процессов. В настоящее время в связи с ростом производительности аппаратных средств и алгоритмов потоковой обработки данных становятся возможными новые технологические решения при моделировании физических процессов и отображении виртуальных сцен. Разработка высокоточных технологий позволит существенно расширить сферу применения и возможности систем поддержки принятия решений, промышленных и тренажерных систем. Наличие высокопроизводительных кластерных вычислительных систем позволяет решать новые задачи в области обработки информационных потоков и математического моделирования. Однако, в целом ряде практических задач использование этих таких ресурсов не оправдано экономически или невозможно в силу необходимости практически мгновенного получения результата. Несмотря на непрерывный рост производительности и объемов оперативной памяти графических ускорителей, а также несмотря на наличие и доступность космических снимков высокого разрешения, детальная визуализация земной поверхности в реальном времени полета по-прежнему не достижима. Это связано с огромным объемом текстур земной поверхности, необходимым для отображения, на порядки превышающим объемы памяти графических ускорителей. Достижение визуальной идентичности вида Земли наблюдаемого в реальности и имитируемого на тренажере является важнейшей и актуальной задачей для обучения космонавтов. Отсутствие высокопроизводительных алгоритмов визуального моделирования атмосферы вынуждает разработчиков тренажеров имитировать атмосферу вручную, силами компьютерных художников. Такой подход не является экономически эффективным, не поддается гибкому управлению и значительно ограничивает многообразие имитируемых атмосферных эффектов. Поэтому задача управляемого визуального моделирования атмосферы является актуальной. Современные вентильные матрицы программируемые пользователем (FPGA) позволяют создавать спецпроцессоры, имеющие высокою производительность обработки данных на классе конкретных задач. В качестве приложений будет исследоваться задача оперативного определения опасности волны цунами на данном участке побережья и задача обработки потоков мультимедийных данных формата 4К в режиме поступления. Традиционно для регистрации и оперативного отображения многоканальных мультимедийных данных о динамике событий, характерных для сферы применения информационных систем (ИС), используются типовое видео - коммутационное и записывающее оборудование, являющиеся пассивными инструментариями. Такой подход имеет серьёзные недостатки как в обеспечении необходимой функциональности ИС, так и в объёме, стоимости и обслуживании реализованных на их основе решений. Тенденции развития современных ИС направлены на повышение информативности за счет интеграции и оперативного отображения данных множества разнородных информационных источников. Актуальной задачей является моделирование анатомических объектов и их визуализация для виртуальных методик обучения в медицине. Это потребует разработки эффективных методов визуализации сложных объектов, представленных композицией объемных данных (например, данных компьютерной томографии) и функционально заданных 3D объектов.