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虚拟战场中复杂场景建模与绘制若干关键技术研究

作　者: 邱航
导　师: 陈雷霆
学　校: 电子科技大学
专　业: 计算机应用技术
关键词: 虚拟战场细节层次大规模地形频域体绘制雷达探测范围三维可视化
分类号: E073
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

虚拟战场以其在军事训练演习中特有的科学性、经济性、直观性等诸多优点,已成为各军事大国进行战略、战术演练的有效途径。逼真是虚拟战场追求的主要目标,然而随着现代战争规模的不断扩大、综合性的不断增强,战场环境日益复杂,从而给虚拟战场场景规模、仿真精度以及交互性能提出了更高的要求。为满足虚拟战场环境的应用需求,本文以虚拟自然环境构建和人工电磁环境表现为出发点,对虚拟战场中大规模地形实时绘制、草地场景建模与动态模拟、三维云景建模与绘制以及雷达复杂电磁环境三维表现等几个关键技术进行了深入研究。本文取得的创新研究成果包括:(1)针对虚拟战场中海量地形数据可视化存在的外存开销大、实时绘制困难等问题,提出了一种大规模外存地形实时绘制方法。在预处理阶段,对原始地形数据进行分块处理,并为各分块建立多分辨率层次结构。为降低外存空间消耗,提出了一种块内无冗余数据存储方法。通过引入视锥体裁剪、与视线相关的屏幕误差计算方法提高绘制速度。为满足地形漫游的连续性,提出了一种基于视域扩展的数据预取及调度策略,实现了外存数据的实时调度。实验结果表明,本方法可获得较高的绘制帧速和较好的绘制效果,为面向大数据集的地形实时绘制提供了完整解决方案。(2)针对传统静态方式表现战场环境植被场景的缺陷,提出了一种可变风场作用下草体摆动效果模拟方法,该方法不仅能逼真展现草叶随风摆动的效果,而且能表现风停后草叶振荡回复的自然过程。此外,提出了一种草体碾压效果模拟方法,采用基于GPU的实时碰撞检测算法和受力向量传播机制计算视点近处草叶的受力和形变,通过调整布告板倾斜度模拟中远距离草丛变形,该方法有效解决了传统方法模拟精度差、对碾压物外形存在限制等缺陷,能逼真模拟出战场环境中作战单元与草叶实体的交互。(3)针对三维云景绘制开销大的问题,提出了一种三维云景模拟方法。该方法基于耦合映像格子理论模拟云的动态生成;采用一系列球谐基函数及其系数来表示入射光分布,模拟了光在云中的复杂散射过程;利用与球谐函数相结合的频域体绘制方法完成了三维云景的快速绘制。(4)针对传统二维方式展现战场环境中雷达探测范围的不足,提出了一种基于混合采样的雷达探测范围三维建模方法。以雷达方程为基础,通过地形分辨率网格确定雷达方位角方向的采样步长,使雷达可视化模型对不同精度地形具有自适应性;以雷达3dB特征点为基础,对雷达俯仰角进行分区域采样,在保证模型外形与雷达特征属性一致的同时有效减少了绘制点的数目。此外,考虑到环境因素对雷达探测范围的影响,基于几何光学遮挡法提出了一种地形遮挡影响下雷达模型修正算法。实验结果证明,该方法不仅速度快,而且能更加真实、直观地表现复杂地形环境下雷达电磁信息。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-13
第一章绪论  13-23
  1.1 课题研究背景  13-15
    1.1.1 虚拟战场概述  13
    1.1.2 虚拟空间中战场环境表现  13-15
  1.2 课题研究的目的和意义  15-16
  1.3 国内外发展现状  16-19
  1.4 本文的研究内容与主要成果  19-21
  1.5 本文的组织  21-23
第二章相关技术研究综述  23-48
  2.1 大规模地形可视化相关研究  23-29
    2.1.1 大规模地形数据组织技术  23-24
    2.1.2 地形数据调度技术  24-25
    2.1.3 模型简化算法  25-27
    2.1.4 模型简化的误差评价  27
    2.1.5 空间连续性  27-28
    2.1.6 技术总结与分析  28-29
  2.2 草地场景真实感模拟相关研究  29-37
    2.2.1 草地场景绘制技术  29-34
    2.2.2 草地场景动态模拟技术  34-36
    2.2.3 技术总结与分析  36-37
  2.3 云场景的建模与绘制相关研究  37-45
    2.3.1 云的建模技术  37-40
    2.3.2 云的动态模拟技术  40-41
    2.3.3 云的光照效果模拟技术  41-44
    2.3.4 技术总结与分析  44-45
  2.4 雷达电磁环境三维可视化相关研究  45-47
    2.4.1 基于雷达方程的方法  45-46
    2.4.2 基于抛物线方程的方法  46
    2.4.3 基于高级传播模型的方法  46
    2.4.4 技术总结与分析  46-47
  2.5 本章小结  47-48
第三章大规模地形实时绘制  48-74
  3.1 方法概述  48-50
  3.2 基于外存的大规模地形数据组织  50-55
    3.2.1 分块物理模型  50
    3.2.2 多分辨率层次构造  50-54
    3.2.3 静态误差计算  54-55
  3.3 基于分块的多分辨率地形实时绘制  55-64
    3.3.1 视锥体裁剪  55-57
    3.3.2 误差评价  57-59
    3.3.3 连续LOD 模型动态构建  59-62
    3.3.4 裂缝处理  62-64
  3.4 基于外存的数据调度  64-70
    3.4.1 基于视域扩展的数据预取及调度策略  64-67
    3.4.2 基于多线程的调度策略实现  67-70
  3.5 实验结果与分析  70-73
  3.6 本章小结  73-74
第四章草地场景的建模与动态模拟  74-105
  4.1 草地场景多层次表达  74-82
    4.1.1 近视点范围草体表达  76-78
    4.1.2 中距离范围草体表达  78-79
    4.1.3 远距离范围草体表达  79
    4.1.4 LOD 过渡策略  79-80
    4.1.5 实验结果与分析  80-82
  4.2 可变风场作用下草体摆动效果模拟  82-91
    4.2.1 风场的建立  82-84
    4.2.2 草体随风摆动形变计算  84-90
    4.2.3 实验结果与分析  90-91
  4.3 草体碾压效果模拟  91-104
    4.3.1 框架描述  92-93
    4.3.2 基于GPU 的实时碰撞检测  93-95
    4.3.3 碾压物作用下草体形变计算  95-101
    4.3.4 实验结果与分析  101-104
  4.4 本章小结  104-105
第五章三维云景的建模与绘制  105-123
  5.1 方法概述  105-106
  5.2 基于耦合映像格子的云建模  106-108
  5.3 基于球谐函数的云光照模拟  108-116
    5.3.1 基本思路  109-111
    5.3.2 基于球谐函数的光传输模型变换  111-114
    5.3.3 基于GPU 的光照模拟实现  114-116
  5.4 基于频域空间的云绘制  116-120
    5.4.1 频域体绘制算法  116-117
    5.4.2 与球谐函数相结合的频域绘制  117-120
  5.5 实验结果与分析  120-122
  5.6 本章小结  122-123
第六章雷达复杂电磁环境的建模与绘制  123-156
  6.1 雷达理论  123-127
  6.2 基于混合采样的雷达三维建模  127-143
    6.2.1 边界离散化  127-135
    6.2.2 离散边界绘制  135-137
    6.2.3 LOD 策略  137-139
    6.2.4 实验结果与分析  139-143
  6.3 地形遮挡影响下雷达探测范围三维可视化  143-150
    6.3.1 地形遮挡下雷达探测范围模型修正原理  144-145
    6.3.2 算法描述  145-148
    6.3.3 实验结果与分析  148-150
  6.4 电磁干扰下雷达探测范围三维可视化  150-155
    6.4.1 雷达干扰模型  150-153
    6.4.2 干扰可视化实现  153-154
    6.4.3 实验结果与分析  154-155
  6.5 本章小结  155-156
第七章总结与展望  156-159
  7.1 全文工作总结  156-157
  7.2 未来工作展望  157-159
致谢  159-160
参考文献  160-172
攻博期间取得的研究成果  172-175

虚拟战场中复杂场景建模与绘制若干关键技术研究

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