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)實技術和計算機圖形學的不斷發(fā)展，高逼真度、高真實感以及高智能化已經成為人們對虛擬現(xiàn)實平臺好壞的重要評判標準，同時也一定程度上引導了虛擬現(xiàn)實平臺的發(fā)展方向。具體來講，高逼真度指的是采用近似真實的且高效的光照算法和表面細分技術使得三維模型表面非常接近于真實世界效果；高真實感一方面是虛擬現(xiàn)實場景中的模型可以表現(xiàn)出真實的物理以及化學特性，另外一方面是從人們的感官體驗角度出發(fā)，利用立體眼鏡、三維環(huán)幕、人機交互設備等增強用戶的虛擬

2、沉浸感；高智能化，指的是在虛擬現(xiàn)實產品發(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，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加速技術對這些算法進行加速，然后結合i4City平臺和VR4MA

3、X平臺的架構將這些三維仿真集成到這兩個系統(tǒng)中，最后根據具體的實際應用進一步檢測算法的可行性和效率。主要研究內容包括：
　　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構，以有向線段為中心，自動生成管道環(huán)頂點，并分別對管道側面和橫截面進行三角剖分，建立頂點的連接規(guī)則，最終在GPU幾何著色器中實現(xiàn)了管道的三維重建。研究了基于模型自定義細分規(guī)則的離散LOD算法，在GPU著色中實現(xiàn)了改進的Phong光照模型，提高

4、了管道的繪制效率和真實感。
　　2.三維鏈條的自動重建和渲染
　　本文借助鏈條是由重復的鏈條環(huán)組成的，并且單個鏈條環(huán)的運動自成一體的特點，使用單個鏈條環(huán)模型重復渲染的方法，實現(xiàn)鏈條的構造和繪制。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據粗糙的問題。最后，采用半自動感知方法，實現(xiàn)了鏈條環(huán)之間的無縫拼接。
　　3.鏈條的物理仿真
　　介于鏈條模型復雜度高，場景中鏈條環(huán)數量龐大的特點，本文使用粒子表示