虛擬自然場(chǎng)景建模與繪制關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用的推廣和普及,虛擬場(chǎng)景建模與繪制技術(shù)研究逐漸成為一個(gè)熱門研究課題,并已被廣泛應(yīng)用于戰(zhàn)場(chǎng)仿真、航空航天、自然風(fēng)光展示、遠(yuǎn)程教育和訓(xùn)練培訓(xùn)等眾多領(lǐng)域。近年來,由于人們對(duì)虛擬場(chǎng)景真實(shí)性需求的不斷提升,虛擬場(chǎng)景仿真突現(xiàn)出模型建模復(fù)雜度、規(guī)模性與繪制速度之間的矛盾問題。在建模真實(shí)感和繪制實(shí)時(shí)性相平衡方面,建模與繪制技術(shù)研究仍存在著諸多挑戰(zhàn),因此,對(duì)虛擬自然場(chǎng)景建模與繪制技術(shù)的研究具有重要的理論意義和應(yīng)用前景。本文重點(diǎn)圍繞模型簡(jiǎn)

2、化、大規(guī)模地形建模與繪制、動(dòng)態(tài)海面波浪建模與繪制以及碰撞檢測(cè)等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析和研究,具體內(nèi)容如下:
　　(1)模型簡(jiǎn)化是實(shí)時(shí)繪制的必要前提和重要手段,本文重點(diǎn)研究特征保持的模型簡(jiǎn)化技術(shù)。針對(duì)QSlim算法的過簡(jiǎn)化問題,提出區(qū)域劃分和多特征引導(dǎo)的模型簡(jiǎn)化方法。首先在分析物體屬性特征的基礎(chǔ)上,對(duì)模型進(jìn)行區(qū)域劃分并計(jì)算其三角形單元的分布密度,以控制模型簡(jiǎn)化深度,然后利用模型的幾何特征、視覺特征構(gòu)造多特征度量函數(shù),以增強(qiáng)簡(jiǎn)化模型的特征保

3、持,使新方法在保證計(jì)算速度的同時(shí)也可有效保持簡(jiǎn)化模型的特征信息。
　　(2)地形是虛擬自然場(chǎng)景仿真的基本組成部分,針對(duì)大規(guī)模地形的復(fù)雜度與繪制速度間的矛盾問題,提出大規(guī)模地形的數(shù)據(jù)組織與調(diào)度方法,即外存數(shù)據(jù)管理和內(nèi)存多線程調(diào)度。在外存方面,將大規(guī)模地形進(jìn)行分塊,分別創(chuàng)建多分辨率層次,并結(jié)合頂點(diǎn)相關(guān)性進(jìn)行數(shù)據(jù)排序和壓縮;在內(nèi)存方面,利用基于視點(diǎn)運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行地形數(shù)據(jù)預(yù)取,并采用多線程并行策略進(jìn)行數(shù)據(jù)調(diào)度,使該方法在保證地形真實(shí)感的基礎(chǔ)

4、上,減少數(shù)據(jù)調(diào)度量,從而提高地形繪制速度。
　　(3)動(dòng)態(tài)海面模擬是影響虛擬自然場(chǎng)景仿真質(zhì)量的關(guān)鍵因素,針對(duì)動(dòng)態(tài)海面模擬中的真實(shí)感和實(shí)時(shí)性間的矛盾問題,提出算法調(diào)和的動(dòng)態(tài)海面建模方法。該方法將動(dòng)態(tài)海面視作基波、高頻細(xì)波和光照模型的調(diào)和產(chǎn)物,結(jié)合海浪譜參數(shù)和余弦波疊加構(gòu)造基波模型,利用基于波浪動(dòng)態(tài)特征修正的分形算法調(diào)和海面的高頻細(xì)波,最后研究GPU調(diào)和的海面光照技術(shù),使該方法在不影響動(dòng)態(tài)海面視覺效果的前提下,可有效提高其繪制速度。<

5、br>　　(4)碰撞檢測(cè)是虛擬場(chǎng)景仿真的“生命”體征之一,考慮碰撞檢測(cè)算法的實(shí)時(shí)性需求,提出基于CPU和GPU的并行碰撞檢測(cè)方法。在分析拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖的基礎(chǔ)上,創(chuàng)建拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖引導(dǎo)的包圍盒層次,并結(jié)合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖同層節(jié)點(diǎn)間的分離性,提出CPU多線程并行策略更新和遍歷包圍盒及包圍盒層次,此外,利用GPU并行計(jì)算三角形的相交性,并研究數(shù)據(jù)組織方法和通信策略以提高CPU與GPU間的通信效率,使該方法能有效減少包圍盒相交測(cè)試對(duì)的數(shù)量,提高碰撞檢測(cè)速度。