虛擬自然場景建模與繪制關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用的推廣和普及,虛擬場景建模與繪制技術(shù)研究逐漸成為一個熱門研究課題,并已被廣泛應(yīng)用于戰(zhàn)場仿真、航空航天、自然風(fēng)光展示、遠程教育和訓(xùn)練培訓(xùn)等眾多領(lǐng)域。近年來,由于人們對虛擬場景真實性需求的不斷提升,虛擬場景仿真突現(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。在建模真實感和繪制實時性相平衡方面,建模與繪制技術(shù)研究仍存在著諸多挑戰(zhàn),因此,對虛擬自然場景建模與繪制技術(shù)的研究具有重要的理論意義和應(yīng)用前景。本文重點圍繞模型簡

2、化、大規(guī)模地形建模與繪制、動態(tài)海面波浪建模與繪制以及碰撞檢測等關(guān)鍵技術(shù)進行分析和研究,具體內(nèi)容如下:
　　(1)模型簡化是實時繪制的必要前提和重要手段,本文重點研究特征保持的模型簡化技術(shù)。針對QSlim算法的過簡化問題,提出區(qū)域劃分和多特征引導(dǎo)的模型簡化方法。首先在分析物體屬性特征的基礎(chǔ)上,對模型進行區(qū)域劃分并計算其三角形單元的分布密度,以控制模型簡化深度,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),以增強簡化模型的特征保

3、持,使新方法在保證計算速度的同時也可有效保持簡化模型的特征信息。
　　(2)地形是虛擬自然場景仿真的基本組成部分,針對大規(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)模地形進行分塊,分別創(chuàng)建多分辨率層次,并結(jié)合頂點相關(guān)性進行數(shù)據(jù)排序和壓縮;在內(nèi)存方面,利用基于視點運動特性進行地形數(shù)據(jù)預(yù)取,并采用多線程并行策略進行數(shù)據(jù)調(diào)度,使該方法在保證地形真實感的基礎(chǔ)

4、上,減少數(shù)據(jù)調(diào)度量,從而提高地形繪制速度。
　　(3)動態(tài)海面模擬是影響虛擬自然場景仿真質(zhì)量的關(guān)鍵因素,針對動態(tài)海面模擬中的真實感和實時性間的矛盾問題,提出算法調(diào)和的動態(tài)海面建模方法。該方法將動態(tài)海面視作基波、高頻細波和光照模型的調(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,利用基于波浪動態(tài)特征修正的分形算法調(diào)和海面的高頻細波,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)碰撞檢測是虛擬場景仿真的“生命”體征之一,考慮碰撞檢測算法的實時性需求,提出基于CPU和GPU的并行碰撞檢測方法。在分析拓撲結(jié)構(gòu)圖的基礎(chǔ)上,創(chuàng)建拓撲結(jié)構(gòu)圖引導(dǎo)的包圍盒層次,并結(jié)合拓撲結(jié)構(gòu)圖同層節(jié)點間的分離性,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試對的數(shù)量,提高碰撞檢測速度。