大規(guī)模裝配場景仿真關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、大規(guī)模裝配場景仿真是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中非常重要的研究課題。隨著數(shù)字化設(shè)計(jì)、數(shù)字化工廠的廣泛應(yīng)用,三維模型的渲染作為它們的關(guān)鍵支撐技術(shù),被賦予了更高的要求。此外,軍事上的虛擬作戰(zhàn)系統(tǒng)、工業(yè)界的虛擬制造系統(tǒng)和娛樂界的三維動漫游戲無不要有一個(gè)強(qiáng)大而快速的場景渲染引擎,但是與日俱增的場景數(shù)據(jù)給這項(xiàng)技術(shù)的進(jìn)一步應(yīng)用帶來了障礙。為了解決大規(guī)模裝配場景仿真中所出現(xiàn)的各種問題,本文主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行研究:
　　針對大規(guī)模裝配模型中幾

2、何數(shù)據(jù)信息過大的問題,提出了裝配模型輕量化方法。首先對三維建模軟件進(jìn)行二次開發(fā),遍歷裝配體的層次結(jié)構(gòu)樹,找出裝配體中的所有零件模型,計(jì)算其位姿信息并將其導(dǎo)出為網(wǎng)格模型,實(shí)現(xiàn)了實(shí)體模型向網(wǎng)格模型的轉(zhuǎn)換。然后從導(dǎo)出的網(wǎng)格模型中選擇需要簡化的子裝配體,利用OpenGL函數(shù)庫對其從多個(gè)視點(diǎn)進(jìn)行無光照渲染,統(tǒng)計(jì)分析多次渲染結(jié)果,判斷出子裝配體中隱藏的零件和面片。對于隱藏的零件,直接從子裝配體中剔除;對于隱藏的面片,則采用邊折疊的方法進(jìn)行簡化。

3、r>　　針對大規(guī)模裝配場景仿真中碰撞檢測計(jì)算量大的問題,設(shè)計(jì)了基于層次包圍體(HierarchicalBoundingVolumes,BVH)的碰撞檢測算法流程,并對運(yùn)動物體的BVH構(gòu)建算法進(jìn)行了研究。BVH構(gòu)建算法的難點(diǎn)在于節(jié)點(diǎn)分割面的選擇,本文通過分析最優(yōu)BVH的構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn),提出了節(jié)點(diǎn)最優(yōu)分割所在子區(qū)間的計(jì)算方法,減少了最優(yōu)分割面的查找時(shí)間,從而提高BVH的構(gòu)建效率;為消除因BVH重建時(shí)間過長而造成的仿真系統(tǒng)陷入臨時(shí)性中斷的問題,本文

4、采用多線程的方法異步重建BVH,在兩次BVH重建的時(shí)間段之內(nèi),本文設(shè)計(jì)了兩種BVH調(diào)整操作,有效的提高了調(diào)整后的BVH碰撞檢測效率。
　　針對光線跟蹤渲染計(jì)算量較大,很難滿足實(shí)時(shí)交互式渲染需求的問題,設(shè)計(jì)了基于CUDA(ComputeUnifiedDeviceArchitecture)的光線跟蹤渲染算法流程。當(dāng)前的光線跟蹤渲染算法中,95％的時(shí)間用于計(jì)算光線與面片的交點(diǎn),而在GPU中實(shí)現(xiàn)基于BVH的光線與面片求交計(jì)算的主要問題是無

5、堆棧遍歷BVH結(jié)構(gòu)。本文通過在BVH節(jié)點(diǎn)中添加指向父節(jié)點(diǎn)的指針和節(jié)點(diǎn)類型標(biāo)記,實(shí)現(xiàn)了無堆棧遍歷過程。另外,為減少GPU程序的數(shù)據(jù)讀取時(shí)延,采用紋理存儲器來保存幾何數(shù)據(jù)及其BVH結(jié)構(gòu)。從CPU內(nèi)存向GPU內(nèi)存拷貝數(shù)據(jù)時(shí),本文提出用數(shù)組索引來代替指針,較好的解決了指針對象的拷貝問題。
　　針對大規(guī)模裝配場景渲染速度慢的問題,設(shè)計(jì)了基于延遲著色的并行渲染算法?，F(xiàn)有的并行渲染架構(gòu)在復(fù)雜光照計(jì)算條件下很難實(shí)現(xiàn)渲染節(jié)點(diǎn)之間的負(fù)載平衡,而且對大

6、規(guī)模裝配場景進(jìn)行渲染的時(shí)候,每一幀都有大量的圖元是不可見的。采用延遲著色的方法可以避免對不可見圖元的著色工作,從而提高大規(guī)模裝配場景的渲染效率。現(xiàn)階段延遲著色主要通過兩次渲染的方法來實(shí)現(xiàn),這樣就可以將渲染步驟中的幾何處理與像素著色分隔開來,再把兩階段的任務(wù)均勻分配到集群系統(tǒng)的渲染節(jié)點(diǎn),最終實(shí)現(xiàn)復(fù)雜光照計(jì)算條件下的渲染任務(wù)均勻分配。
　　針對高功率激光驅(qū)動器裝置數(shù)字化仿真項(xiàng)目需求,綜合運(yùn)用本文的研究成果,開發(fā)了大規(guī)模裝配場景仿真原型