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虚拟现实交互控制视觉沉浸感关键技术的研究与实现

作　者: 刘秀玲
导　师: 王洪瑞；李晓苇
学　校: 河北大学
专　业: 光学工程
关键词: 分布式虚拟现实视觉沉浸感一致性碰撞检测动力学模型
分类号: TP391.9
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

分布式虚拟现实作为一种最强大的人机交互技术,目前已成为信息领域的研究热点之一,而视觉沉浸感是分布式虚拟现实系统设计的主要目标。传统的虚拟现实系统的视觉沉浸感主要集中在模型的精细程度、光照效果、纹理映射等静态场景上,随着分布式虚拟现实的发展,用户群越来越庞大,虚拟场景的复杂程度越来越高,虚拟现实环境与用户的交互越来越深入,影响视觉沉浸感的诸多分布式系统的动态问题也越来越明显。因此,提高分布式系统中的视觉沉浸感,尤其是大规模复杂场景与用户交互控制的视觉沉浸感,已经成为分布式虚拟现实系统的重要研究课题。本文针对影响分布式虚拟现实系统交互控制视觉沉浸感的关键技术问题展开研究,主要包括分布式场景的视觉实时性和一致性、用户外设与虚拟场景的交互控制的准确性和实时性等方面。设计并实现了提高分布式虚拟现实系统智能交互控制视觉沉浸感的关键技术,并通过其与六自由度并联机器人运动平台的反馈控制研究,从视觉和感觉上显著增强了用户的沉浸感。本论文的主要工作和创新如下:(1)提出并实现了新型混合P2P结构的分布式虚拟现实系统框架。将整个系统从逻辑上分为三层:集中式P2P网络结构、集中式P2P分组、结构化分布式P2P网络群。完成了网络服务平台、控制平台以及渲染节点这三类网络节点的设计和实现,提高了信息的传输速度,减少了视觉信息的延迟;(2)提出并实现了P2P网络结构下不同类型节点的渲染策略。对于同组节点提出了主从缓存渲染策略以满足同一场景的分块视觉一致性,对于同群节点采用了节点之间的一致性控制、设计了预测算法以满足多个用户之间的动态协同一致性,从而保证了用户视觉效果的一致性;(3)提出并实现了基于光线投射的蜂窝状空间分解碰撞检测算法。将碰撞检测转化为判断在下一帧中多面体蜂窝子空间内局部子多面体截面到对方阈值线的距离值与对方所设定阈值的大小的关系问题,从而完成任意多面体间的精细检测,提高了碰撞检测的速度,增强了视觉冲击力;(4)提出并实现了基于基准点的碰撞检测算法,通过扫描线求交运算和穿针引线式刨分空间多边形,将模型间的碰撞检测转化为基本几何特征对之间的碰撞检测,把碰撞精度精确到模型表面的某些点和区域,更适用于快速实时精确的交互控制系统,此算法将提高视觉效果的真实性;(5)建立了新型6-DOF并联机器人运动平台的动力学模型。针对新型6-DOF的结构特点求解系统的逆运动学问题,由拉格朗日算子得到平台的运动方程,并基于拉格朗日法建立6-DOF并联机构的动力学方程,进而针对模型在实际控制中的应用进行了简化处理。利用此模型完成与虚拟现实的反馈控制,将从视觉和感觉上进一步提高用户的沉浸感。

全文目录

摘要  6-8
Abstract  8-14
第1章引言  14-28
  1.1 课题研究的目的和意义  14-16
  1.2 分布式虚拟现实系统  16-19
    1.2.1 分布式虚拟现实系统简介  16-17
    1.2.2 分布式虚拟现实系统的应用领域  17-19
  1.3 增强视觉沉浸感的关键技术及现状分析  19-26
    1.3.1 分布式虚拟现实的系统架构  19-21
    1.3.2 分布式虚拟现实的一致性控制  21-23
    1.3.3 精确碰撞检测的实时性  23-25
    1.3.4 运动平台控制的准确性和实时性  25-26
  1.4 课题来源  26
  1.5 论文主要内容和贡献  26-27
  1.6 论文的主要结构  27-28
第2章混合式P2P 结构的分布式虚拟现实系统框架  28-43
  2.1 P2P 网络技术  28-33
    2.1.1 P2P 的概念  28-29
    2.1.2 P2P 的技术优势  29-30
    2.1.3 P2P 的结构分类  30-33
  2.2 新型混合式P2P 结构的系统框架  33-34
  2.3 混合式P2P 结构系统的网络模型  34-39
    2.3.1 节点连接信息管理  34-36
    2.3.2 系统控制信息管理  36-39
  2.4 混合式P2P 结构系统的功能模型  39-42
    2.4.1 渲染节点  40-41
    2.4.2 控制平台  41-42
  2.5 小结  42-43
第3章系统的一致性控制算法和策略的研究  43-58
  3.1 分布式虚拟现实系统渲染场景不一致的原因  44-46
    3.1.1 因果不一致  44-45
    3.1.2 时空不一致  45-46
  3.2 渲染节点分类  46-47
    3.2.1 同组节点  46-47
    3.2.2 同群节点  47
  3.3 基于场景分块的局部渲染和邻近控制策略  47-48
  3.4 分布式渲染初始化  48-50
    3.4.1 平台初始化  48-49
    3.4.2 网络连接初始化  49-50
  3.5 同组节点的主从缓存渲染策略  50-52
    3.5.1 主从渲染规则  50-51
    3.5.2 缓存渲染策略  51-52
  3.6 同群节点的一致性控制及预测算法  52-56
    3.6.1 基本原则  53
    3.6.2 基于Mahalanobi 的实体唯一性控制算法  53-56
    3.6.3 同群节点的一致性预测算法  56
  3.7 小结  56-58
第4章基于光线投射的蜂窝状空间分解碰撞检测算法  58-70
  4.1 碰撞检测算法分类  58-59
  4.2 基于光线投射的缓存算法  59-61
    4.2.1 基于缓存的检测方法  59-60
    4.2.2 光线投射算法  60-61
  4.3 局部碰撞子多面体  61-64
    4.3.1 投影区域的确定  61-62
    4.3.2 反向投影构建子包围盒  62-64
  4.4 蜂窝状空间分解法  64-68
    4.4.1 改进子空间的紧密性  65-67
    4.4.2 阈值距离碰撞检测法  67-68
  4.5 算法实现与比较  68-69
  4.6 小结  69-70
第5章基于基准点的智能碰撞检测算法  70-95
  5.1 基于距离计算的碰撞检测算法  70-72
  5.2 局部最小碰撞区域  72-74
    5.2.1 非碰撞模型的快速剔除  72-73
    5.2.2 确定局部相交子区域  73-74
  5.3 精确碰撞检测算法概述  74-77
  5.4 基准点  77-81
    5.4.1 确定IRS 区域长、宽、高的扫描分割量  77-79
    5.4.2 获取基准点  79-81
  5.5 碰撞检测策略  81-85
    5.5.1 获取相关点  82
    5.5.2 分类相关点  82-83
    5.5.3 基于距离的碰撞策略  83-85
  5.6 穿针引线法  85-91
    5.6.1 相关点的归类划分  85
    5.6.2 碰撞判断策略  85-89
    5.6.3 点三角形碰撞判断策略  89-91
  5.7 实验对比  91-94
    5.7.1 模型复杂度不同  91-93
    5.7.2 模型数量不同  93-94
    5.7.3 碰撞检测精度不同  94
  5.8 小结  94-95
第6章运动平台的动力学分析与交互控制  95-127
  6.1 新型运动平台的结构分析  95-97
  6.2 平台动力学分析理论基础  97-99
    6.2.1 拉格朗日方法简介  97-98
    6.2.2 牛顿-欧拉法(N-E 法)简介  98-99
  6.3 并联机构平台空间运动的动力学模型分析  99-117
    6.3.1 系统的逆运动学分析  99-102
    6.3.2 并联平台运动学关系式  102-109
    6.3.3 并联平台空间运动微分方程的推导  109-117
  6.4 并联平台模型简化应用及仿真验证  117-125
    6.4.1 对称平面运动  118-119
    6.4.2 应用仿真  119-125
  6.5 小结  125-127
第7章结束语  127-130
  7.1 主要工作与创新点  127-128
  7.2 研究成果的应用前景展望  128-129
  7.3 研究中存在的问题及下一步工作设想  129-130
参考文献  130-140
致谢  140-141
攻读学位期间取得的科研成果  141-143

虚拟现实交互控制视觉沉浸感关键技术的研究与实现

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