三維管線自動生成與物理仿真研究.pdf

1、近年來，隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的不斷發(fā)展，高逼真度、高真實(shí)感以及高智能化已經(jīng)成為人們對虛擬現(xiàn)實(shí)平臺好壞的重要評判標(biāo)準(zhǔn)，同時也一定程度上引導(dǎo)了虛擬現(xiàn)實(shí)平臺的發(fā)展方向。具體來講，高逼真度指的是采用近似真實(shí)的且高效的光照算法和表面細(xì)分技術(shù)使得三維模型表面非常接近于真實(shí)世界效果；高真實(shí)感一方面是虛擬現(xiàn)實(shí)場景中的模型可以表現(xiàn)出真實(shí)的物理以及化學(xué)特性，另外一方面是從人們的感官體驗(yàn)角度出發(fā)，利用立體眼鏡、三維環(huán)幕、人機(jī)交互設(shè)備等增強(qiáng)用戶的虛擬

2、沉浸感；高智能化，指的是在虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品發(fā)展的過程中，人們遇到很多人們手工操作與軟件控制相矛盾的問題，這時就對軟件產(chǎn)品提出了一些智能化的需求，例如仿真場景中大量的模型建模需求。
　　本文針對虛擬城市管網(wǎng)，海港場景，重物起重仿真和航海仿真等虛擬仿真特例化的需求，從提高虛擬仿真真實(shí)感與智能化的角度，著重研究了三維管道、繩索和鏈條的自動重建、渲染以及物理仿真方法，并采用GPU加速技術(shù)對這些算法進(jìn)行加速，然后結(jié)合i4City平臺和VR4MA

3、X平臺的架構(gòu)將這些三維仿真集成到這兩個系統(tǒng)中，最后根據(jù)具體的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)一步檢測算法的可行性和效率。主要研究內(nèi)容包括：
　　1.三維管道的自動重建和渲染
　　本文充分分析了三維管道模型的結(jié)構(gòu)，以有向線段為中心，自動生成管道環(huán)頂點(diǎn)，并分別對管道側(cè)面和橫截面進(jìn)行三角剖分，建立頂點(diǎn)的連接規(guī)則，最終在GPU幾何著色器中實(shí)現(xiàn)了管道的三維重建。研究了基于模型自定義細(xì)分規(guī)則的離散LOD算法，在GPU著色中實(shí)現(xiàn)了改進(jìn)的Phong光照模型，提高

4、了管道的繪制效率和真實(shí)感。
　　2.三維鏈條的自動重建和渲染
　　本文借助鏈條是由重復(fù)的鏈條環(huán)組成的，并且單個鏈條環(huán)的運(yùn)動自成一體的特點(diǎn)，使用單個鏈條環(huán)模型重復(fù)渲染的方法，實(shí)現(xiàn)鏈條的構(gòu)造和繪制。并采用線性插值、樣條插值和拋物線插值的方法解決了鏈條初始數(shù)據(jù)粗糙的問題。最后，采用半自動感知方法，實(shí)現(xiàn)了鏈條環(huán)之間的無縫拼接。
　　3.鏈條的物理仿真
　　介于鏈條模型復(fù)雜度高，場景中鏈條環(huán)數(shù)量龐大的特點(diǎn)，本文使用粒子表示