Программирование
Журнал публикует статьи по всем проблемам, связанным с теоретическим и практическим программированием: операционные системы, технологии программирования, языки программирования и компиляторы, параллельное программирование, верификация и тестирование программ, машинная графика, компьютерная алгебра и т.п.
Журнал предназначен для исследователей, практиков и студентов.
Журнал рецензируется, включен в список ВАК для опубликования работ соискателей ученых степеней.
Журнал основан в 1975 году.
Свидетельство о регистрации СМИ: № 0110181 от 04.02.1993
Текущий выпуск



№ 3 (2025)
КОМПЬЮТЕРНАЯ ГРАФИКА И ВИЗУАЛИЗАЦИЯ
Тестирование графических шейдеров для использования в Бортовой системе визуализации гражданских воздушных судов
Аннотация
Программный комплекс современного гражданского самолета работает под управлением операционной системы реального времени (ОСРВ). Эта технология является критической с точки зрения безопасности и для использования должна быть сертифицирована. Неотъемлемой частью ОСРВ является графическая компонента. Существующие авиационные приложения применяют графические шейдеры, которые компилируются перед выполнением. Но компилятор шейдеров, написанный на языке C++, не может быть сертифицирован. Поэтому мы предложили подход, при котором компилятор не используется в бортовом программном обеспечении. Он компилирует шейдеры заранее, и в процессе работы они загружаются в виде двоичного программного объекта. Таким образом, сертификация компилятора шейдеров была заменена на тестирование программного объекта, создаваемого им. Нами был разработан программно-аппаратный комплекс, предназначенный для тестирования работы компилятора, независимый от конкретной целевой платформы. На основе анализа авиационных приложений был разработан набор тестов, позволяющий проверить корректность всех операций шейдеров, применяемых в приложениях гражданской авиации. Таким образом, мы нашли и успешно реализовали практичное решение проблемы невозможности сертификации компилятора шейдеров, что позволило включить шейдеры в сертифицированное программное обеспечение бортового оборудования гражданского самолета.



Исследование методов представления поверхностей на основе функций расстояний со знаком
Аннотация
В работе проведено исследование методов рендеринга поверхностей на основе трассировки лучей для представлений на базе функций расстояний со знаком. В качестве основных объектов интереса были выбраны время работы алгоритма рендеринга, объем занимаемой памяти, точность представления поверхности, оцениваемая по рендеру с помощью метрики PSNR. Проанализировано 6 различных представлений и 4 алгоритма поиска пересечений. В качестве ускоряющей структуры во всех случаях использовалась иерархия ограничивающих объемов (BVH-деревья). Проведенное сравнение выявило перспективные представления и алгоритмы и показало, что функции расстояний в ряде случаев практически не уступают полигональным моделям по скорости, хотя при этом могут выигрывать по объему потребляемой памяти и представлять поверхность с хорошим уровнем точности.



Реконструкция оптических свойств объектов реальной сцены по изображениям с учетом вторичного освещения и выбором наиболее важных точек
Аннотация
В статье представлен метод реконструкции оптических свойств объектов реальной сцены по ряду ее изображений, основанный на использовании методов дифференцируемого рендеринга. Основной целью исследования является разработка подхода, позволяющего с высокой точностью восстановить оптические характеристики объектов сцены при минимизации вычислительных затрат. Во введении описана актуальность создания реалистичных виртуальных моделей сцен для компьютерной графики и их применения в таких областях, как виртуальная и дополненная реальность, анимация. Отмечено, что для достижения реализма изображения необходимо учитывать геометрию сцены, параметры освещения и оптические свойства объектов. В данной работе предполагается, что геометрия сцены и источники света известны, а основной задачей является восстановление оптических свойств объектов. Раздел “Методы” описывает основные этапы предложенного подхода. Первая стадия включает предварительную обработку данных, в ходе которой осуществляется выбор ключевых точек изображения, характеризующихся высокой яркостью и равномерным распределением по объектам сцены. Это позволяет значительно сократить объем данных, необходимых для оптимизации. Далее, используя численное дифференцирование и обратную трассировку лучей, вычисляются градиенты яркости по параметрам модели. Предложенный алгоритм учитывает как первичное, так и вторичное освещение, что повышает точность восстановления оптических характеристик сцены. На завершающем этапе параметры оптических моделей восстанавливаются с помощью метода Adam, улучшенного с использованием библиотеки Optuna для автоматического подбора гиперпараметров. В разделе результатов представлены эксперименты, выполненные на сцене Cornell Box. Демонстрируется результат восстановления оптических свойств и сравниваются оригинальная и восстановленная яркости. Выявлены ограничения, связанные с длительностью вычислений и чувствительностью к выбросам данных, которые подробно рассмотрены в работе. В заключении подведены итоги и предложены направления для дальнейшего развития, включая перенос вычислений на GPU и использование более сложных моделей оптических свойств для повышения точности и скорости алгоритма.



Метод реконструкции геометрии из набора RGB-изображений с использованием дифференцируемого рендеринга и визуальной оболочки
Аннотация
Применение методов дифференцируемого рендеринга является актуальным на сегодняшний день решением задачи реконструкции геометрии из набора RGB-изображений без задействования дорогостоящего оборудования. Недостатком этого класса методов являются возможные искажения геометрии, возникающие в ходе оптимизации, и высокая вычислительная сложность. Современные методы дифференцируемого рендеринга вычисляют и используют два типа градиентов: градиенты силуэтов и градиенты нормалей. Причиной большинства искажений, возникающих в ходе оптимизации геометрии, являются модификации параметров, связанных с градиентами силуэтов. В работе рассматривается возможность увеличения эффективности методов реконструкции геометрии, основанных на использовании дифференцируемого рендеринга, путем разделения процесса реконструкции на два этапа: инициализации и оптимизации. Первый этап реконструкции предполагает создание визуальной оболочки восстанавливаемого объекта. Выполнение этого этапа позволяет автоматизировать процесс выбора исходной геометрии и начать следующий этап с двумя условиями: силуэты объекта уже восстановлены со всех точек наблюдения, а топологии реконструируемого и истинного объектов эквивалентны. Второй этап представляет собой цикл оптимизации геометрии, основанный на выполнении перечисленных условий. Этот цикл состоит из четырех шагов: рендеринг изображений, вычисление функции потерь, расчет градиентов и оптимизация геометрии. Выполнение условия соответствия контуров исходной и эталонной геометрии позволяет избавиться от необходимости использования градиентов силуэтов. Такое решение позволяет значительно снизить число ошибок, возникающих в ходе оптимизации, а также уменьшить вычислительную сложность метода, благодаря исключению вычисления функции потерь, расчета градиентов и оптимизации параметров, связанных с силуэтами объектов. Проведены тестирование и анализ результатов, показавшие повышение точности реконструкции геометрии при уменьшении разрешения сетки и уменьшении общего времени работы метода в сравнении с аналогичными методами, а также увеличение скорости шагов оптимизации до двух раз.



Метод семантической сегментации изображений на основе нейронной сети с использованием фильтров Габора
Аннотация
Статья посвящена использованию фильтров Габора для повышения эффективности сверточных нейронных сетей (CNN) в задачах анализа изображений, в частности сегментации. Рассматривается применение фильтров Габора как адаптивного компонента на начальных слоях CNN, что позволяет улучшить выделение текстурных и структурных признаков. Для достижения оптимального баланса между числом обучаемых параметров и точностью предложены адаптивные фильтры Габора, которые увеличивают количество каналов на входе без значительного усложнения модели. Проведен сравнительный анализ архитектур с использованием PSPNet для сегментации изображений, модифицированной адаптивными фильтрами Габора. Рассмотрены ограничения на размер фильтров, обеспечивающие устойчивость к вычислительным затратам. Подтверждена актуальность подхода на наборе данных для сегментации изображений, демонстрирующего улучшение точности при минимальном увеличении числа параметров.



Адаптивный метод выбора базисных функций сетей Колмогорова–Арнольда для задачи улучшения изображений магнитно-резонансной томографии
Аннотация
В данной работе исследуется возможность улучшения качества обработки изображений магнитно-резонансной томографии на основе использования сетей Колмогорова–Арнольда для фильтрации глобальных признаков сверточной нейронной сети. Недавно предложенные модели Колмогорова–Арнольда мотивированы одноименной теоремой из анализа действительного переменного и теории приближений о том, что каждая многомерная непрерывная функция на компакте может быть представлена в виде суперпозиции непрерывных функций одной переменной. Необходимость применения градиентного спуска при обучении накладывает ограничение дифференцируемости на параметризацию таких одномерных функций, так что на практике они часто ищутся в виде линейной комбинации B-сплайнов или других дифференцируемых базисных функций. В настоящем исследовании мы предлагаем метод адаптивного отбора базисных функций самой моделью в ходе обучения из заранее зафиксированной пользователем системы базисов. Предлагаемый подход основан на механизме внимания, успешно применяющемся в трансформерных сетях. В данной работе метод протестирован на задаче улучшения качества изображений магнитно-резонансной томографии на датасете IXI и демонстрирует лучшие средние значения PSNR и TV по тестовому набору данных. Не ограничивая общности, в систему базисных функций были включены: B-сплайны, полиномы Чебышева и функции Эрмита.



Анализ влияния гиперпараметров на эффективность OCR-модели для дореформенных рукописных текстов
Аннотация
В статье рассматривается влияние гиперпараметров на эффективность моделей оптического распознавания рукописного текста дореформенного периода на примере рукописных отчетов губернаторов Енисейской губернии XIX в. Проведен сравнительный анализ конфигураций моделей с различными архитектурными компонентами, включая модули нормализации, блоки выделения признаков и предсказатели. Особое внимание уделено роли разрешения входного изображения и размера скрытых слоев в достижении оптимального баланса между точностью предсказания и вычислительными затратами. Полученные результаты позволяют определить ключевые параметры для разработки систем оптического распознавания символов, адаптированных к историческим текстам с нестандартной орфографией и сложной структурой. Перспективы дальнейших исследований включают оценку синтетических методов расширения обучающих данных и анализ альтернативных архитектур, таких как трансформеры.



Исследование методов обхода двухуровневых BVH-деревьев на графических процессорах
Аннотация
Ключевой частью наиболее распространенных методов трассировки лучей является обход/поиск пересечения с иерархической структурой – BVH, описывающей геометрию сцены. В данной работе представлен сравнительный анализ производительности нескольких методов обхода BVH-деревьев на стационарных и мобильных графических процессорах. Мы исследовали BVH-деревья с различной глубиной и количеством дочерних узлов, реализовали несколько алгоритмов обхода со стэком и два различных алгоритма безстэкового обхода; предложили свой вариант безстэкового обхода, более производительный чем существующие в ряде случаев. Предложили свой вариант сжатия BVH-дерева с двумя узлами, теряющий не более 15% производительности. Мы выявили некоторую общую проблему, встречающуюся почти во всех алгоритмах при их реализации на графических процессорах. Мы полагаем, что наш анализ поможет разработчикам аппаратных ускорителей трассировки лучей создавать более экономное аппаратное решение, не ограничиваемое при этом только лишь трассировкой лучей. Если говорить более конкретно, результаты наших экспериментов говорят о том, что можно получить ускорение до 5 раз с помощью изменения механизма работы L2-кэша, причем на стационарных GPU с аппаратным ускорением трассировки лучей это, по-видимому, уже сделано не только в рамках непосредственно механизма аппаратного ускорения трассировки лучей, но и в более общем случае.



Мультиобъектная Визуализация обширных лесов в системах виртуального окружения
Аннотация
В данной статье рассматривается задача визуализации обширных лесных массивов в системах виртуального окружения с помощью облаков точек и аппаратно-ускоренной трассировки лучей. Предлагается новый подход, при котором лесной массив представляется в виде мультиобъекта, состоящего из облака точек дерева-образца и набора отличительных признаков его экземпляров. Описывается разработанный метод развертывания такого мультиобъекта в виртуальный лесной массив на конвейере трассировки лучей, включающий в себя построение ограничивающих параллелепипедов дерева-образца, задание геометрической и цветовой трансформации экземпляров деревьев и синтез изображения этих экземпляров. На основе предложенного метода создана программная реализация (С++, GLSL, Vulkan) и проведена ее апробация на ряде детализированных облаков точек реальных деревьев (листопадных и вечнозеленых). Результаты апробации подтвердили возможность синтеза в реальном времени изображений уникальных обширных лесных массивов (несколько миллионов деревьев) как с высоты “птичьего полета”, так и “с точки зрения пешехода”. Предложенное решение имеет широкий диапазон применений: системы виртуального окружения, видеосимуляторы, научная визуализация, геоинформационные системы, образовательные приложения и др.



Метод отложенного рендеринга множества динамических точечных источников света вокселизированных сцен в реальном масштабе времени
Аннотация
С увеличением производительности графических процессоров стало возможным визуализировать с помощью алгоритмов глобального освещения сложные физические явления в режиме реального времени. Одним из таких подходов является применение виртуальных точечных источников света, в котором реализм изображений зависит от количества источников света. Но для большого количества источников света в ранних алгоритмах требовалось создание большого количества карт теней для проверки видимости при виртуальном точечном освещении. Поэтому достичь качественного изображения в реальном времени было проблематично, пока не были разработаны новые методы. Целью представленной работы является создание метода отложенного рендеринга тысячи точечных источников света на основе вокселизированных сцен в реальном масштабе времени. На первом проходе, геометрическом, вычисляется разреженное воксельное восьмеричное дерево. Применяется геометрический буфер, который хранит информацию о местоположении, нормалях и материалах для прямого и непрямого освещения. Затем происходят генерация отражающих карт теней и выборка по значимости, чтобы не проверять каждый тексель. Прямое освещение вычисляется с помощью карт теней, а для косвенного освещения применяется алгоритм марширования лучей для проверки видимости точечных источников света. В целях ускорения вычислений применяется чередующаяся выборка. В результате с использованием предлагаемого метода можно создавать реалистичные изображения сцен с глобальным освещением в реальном времени. С применением графического процессора можно вычислять тысячу точечных источников света в реальном времени и визуализировать полностью динамичные сцены. Однако для глянцевых поверхностей требуется большее количество точечных источников света, чтобы изображения без артефактов точно воспроизводили внешний вид материала.


