Поддержка принятия решения при выборе метода глобального освещения на основе кросс-платформенного приложения

Проектирование современных систем различного назначения невозможно без онтологии предметной области (ПрО). Чтобы принять обоснованное решение, требуется учесть множество взаимодействующих факторов (иногда десятки и сотни), в то время как для человека оперирование более чем десятью сущностями может вызывать большие затруднения. Для решения подобных проблем применяют системы поддержки принятия решений (СППР), которые обычно представляют собой интерактивные информационно-аналитические системы, помогающие лицу, принимающему решение (ЛПР), использовать результаты систематизации знаний в избранной ПрО, а также в методо-ориентированных ПрО, связанных со способами принятиями рациональных решений.

Например, построение оригинальной системы рендеринга 1 из-за сложности трёхмерной графики определяется результатом принятия решения о выборе метода глобального освещения (ГО). Поскольку трёхмерная графика активно используется во многих сферах деятельности, то поддержка проектирования элементов системы рендеринга является актуальной задачей, на примере которой можно проиллюстрировать создания простейших СППР.

В статье рассматриваются вопросы разработки СППР для выбора метода ГО, обеспечивающего фотореализм компьютерных изображений 3D-объектов.

1 Ре_́ндеринг (англ. rendering — «визуализация») — термин в компьютерной графике, обозначающий процесс получения изображения по модели с помощью компьютерной программы. Прим. ред.

1    Постановка задачи

За несколько десятилетий развития компьютерных технологий появилось множество подходов к реализации ГО в системах рендеринга, каждый из которых выполняет определённый спектр задач и обладает своими характеристиками. В статье рассматривается задача принятия решения при выборе метода реализации ГО как системы имитации света. Разработчикам при создании подобных систем приходится проводить полноценный анализ ПрО, что занимает много времени без гарантии полноты такого анализа [1].

Существует множество методов имитации ГО в реальном времени с разной степенью гибкости. Для большинства из них требуется предварительный проход, в котором накапливается информация о геометрии сцены.

При создании СППР для выбора метода ГО их следует систематизировать, выбрать показатели их эффективности (частные критерии), построить критерий и правила рационального выбора метода, наконец, разработать приложение, реализующее СППР.

2    Методы глобального освещения

В последние годы произошел прорыв в методах ГО в реальном времени, которые не требуют прохода для предварительной обработки и полностью работают с вычисляемыми в реальном времени структурами данных. Эти методы обладают различной степенью фотореализма и производительностью [1].

Наиболее известными классами методов ГО являются: Finite Elements, Monte Carlo, Photon Mapping, Instant Radiosity, Many Lights, Point-based, Discrete Ordinate Methods, PRT [2]. Некоторые из этих классов дополнительно разделяются на подклассы в зависимости от способов применения. Всего можно насчитать более 60 методов ГО.

3    Показатели методов глобального освещения

В работе [2] выделены шесть показателей для оценки методов ГО.

• 1)    Скорость или абсолютная производительность метода.

• 2)    Качество – мера, делающая упор на фотореалистичность.

• 3)    Динамика – показатель классифицирует методы в соответствии с тем, сколько аспектов или параметров можно изменить во время выполнения.

• 4)    Масштабируемость – способность сохранять свою скорость и качество при изменении (увеличении или уменьшении) сложности сцены или разрешения изображения.

• 5)    Реализация – показывает трудоёмкость повторной реализации метода (количество и сложность кода, использование общих структур данных и возможность повторного использования библиотек).

• 6)    Графический процессор – отражает соответствие возможностям графических процессоров.

В [2] измерение рассмотренных показателей эффективности ГО предложено производить в номинальной шкале от 0 до 5, и выполнено для всех известных на тот момент методов ГО.

При проектировании системы рендеринга встаёт вопрос о свёртке значений подобных частных критериев для получения глобального скалярного критерия выбора эффективного алгоритма ГО.

4    Критерии и правила принятия решений

Согласно принятой номинальной шкале простейшим вариантом свёрки показателей эффективности ГО является среднее арифметическое. Однако такой приём предполагает равенство приоритетов показателей. Можно воспользоваться средней взвешенной оценкой. В последнем случае проблема состоит в определении весов показателей, для решения которой известен ряд подходов [3-5]. Например, при различии мнений экспертов, вовлечённых в подготовку решения, можно воспользоваться матрицей приоритетов (матрица критериев) [5].

Для сравнения различных вариантов решения можно воспользоваться правилами нечёткого вывода, разрешая проектировщику оценивать альтернативы в форме «Если X i = низкая и X 2 = хорошая, то S = высокая», где X i - это частный критерий, а S - приемлемость данной сущности относительно поставленной задачи. Архитектура подобной системы нечёткого вывода обычно включает четыре составляющих [6]: базу правил с функциями принадлежности; фаззификатор входных данных; механизм вывода; дефаззификатор результатов нечёткого вывода.

5    Кроссплатформенное приложение для поддержки принятия решения

Разработанная СППР предназначается для разработчиков систем рендеринга.

В соответствии с потребностями ЛПР, которые выражаются в форме оценок значимости шести показателей (см. раздел 3) по шкале от 0 до 5, система обеспечивает ЛПР рекомендацией для выбора метода ГО.

СППР реализована в виде кроссплатформенного десктопного приложения, написанного на языке C# с использованием платформы AvaloniaUI , позволяющей использовать разработанную систему в операционных системах Windows, Linux, MacOS.

Приложение предлагает подыскать приемлемый метод ГО одним из трёх способов свёртки частных показателей эффективности (см. раздел 4).

Среднее взвешенное частных показателей позволяет выбрать один из упомянутых в разделе i классов методов ГО, и пользователь получает информацию о рекомендуемом алгоритме в виде ссылки на литературный источник (рисунок i).

1. Для начала необходимо выбрать класс методов:

Наибольшее ср. ариф. Матрица приоритетов Правила нечеткого вывода

PRT

• 2.    Далее нужно расположить параметры по степени важности:

• 3.    Получаем статью:

Скорость

Качество

Динамика Масштабируемость GPU

Реализация

GREEN Р., KAUTZ J., DURAND F.: Efficient Reflectance and Visibility Approximations for Environment Map Rendering. Computer Graphics Forum 26, 3 (2007), 495-502

Рисунок I - Скриншот работы СППР при отыскании рекомендации на основе наибольшего среднего взвешенного значения частных показателей

Интерфейс приложения при использовании матрицы приоритетов представлен на рисунке 2. В данном случае пользователь должен задать веса параметров и заполнить матрицу приоритетов путём парного сравнением частных критериев.

На рисунке 3 отображён пример работы с приложением при использовании нечёткого вывода. От пользователя требуется задать совокупность правил вида «ЕСЛИ ( X 1 , U 1 ) И ... ( X n , U n ) ТО S ». Здесь X i - один из шести частных критериев оценки метода, U i - показатель удовлетворённости критерия, принимающий три значения: вполне удовлетворяющий; удовлетворяющий; не удовлетворяющий.

S - это показатель удовлетворённости правила, который расширяет значения, принимаемые U i несколькими значениями: более, чем удовлетворяющий; безупречный.

Рисунок 2 - Скриншот работы СППР при отыскании рекомендации на основе использования матрицы приоритетов

Рисунок 3 - Скриншот работы СППР при отыскании рекомендации на основе правил нечёткого вывода

Заключение

В основу построения СППР, поддерживающей выбор метода ГО при рендеринге, положен анализ ПрО, в которой надлежит принимать решения, и ПрО, связанной с методами многокритериального выбора решений.

Опыт разработки подобных систем может быть обобщён и в части возможности оперативной смены ПрО, описание которой естественно выполнять в форме онтологии, и в части интеграции с онтологическими описаниями различных методо-ориентированных ПрО [7].