虛擬自然場景建模與繪制關鍵技術研究.pdf

1、隨著虛擬現(xiàn)實技術應用的推廣和普及,虛擬場景建模與繪制技術研究逐漸成為一個熱門研究課題,并已被廣泛應用于戰(zhàn)場仿真、航空航天、自然風光展示、遠程教育和訓練培訓等眾多領域。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的研究具有重要的理論意義和應用前景。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鍵技術進行分析和研究,具體內容如下:
　　(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。針對QSlim算法的過簡化問題,提出區(qū)域劃分和多特征引導的模型簡化方法。首先在分析物體屬性特征的基礎上,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)組織與調度方法,即外存數(shù)據(jù)管理和內存多線程調度。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,并結合頂點相關性進行數(shù)據(jù)排序和壓縮;在內存方面,利用基于視點運動特性進行地形數(shù)據(jù)預取,并采用多線程并行策略進行數(shù)據(jù)調度,使該方法在保證地形真實感的基礎

4、上,減少數(shù)據(jù)調度量,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量的關鍵因素,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和產(chǎn)物,結合海浪譜參數(shù)和余弦波疊加構造基波模型,利用基于波浪動態(tài)特征修正的分形算法調和海面的高頻細波,最后研究GPU調和的海面光照技術,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。在分析拓撲結構圖的基礎上,創(chuàng)建拓撲結構圖引導的包圍盒層次,并結合拓撲結構圖同層節(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。