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虚拟自然场景建模与绘制关键技术研究
作 者: 王海玲
导 师: 印桂生
学 校: 哈尔滨工程大学
专 业: 计算机应用技术
关键词: 虚拟自然场景 模型简化 外存数据管理 分形算法调和 并行计算
分类号: TP391.9
类 型: 博士论文
年 份: 2013年
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内容摘要
随着虚拟现实技术应用的推广和普及,虚拟场景建模与绘制技术研究逐渐成为一个热门研究课题,并已被广泛应用于战场仿真、航空航天、自然风光展示、远程教育和训练培训等众多领域。近年来,由于人们对虚拟场景真实性需求的不断提升,虚拟场景仿真突现出模型建模复杂度、规模性与绘制速度之间的矛盾问题。在建模真实感和绘制实时性相平衡方面,建模与绘制技术研究仍存在着诸多挑战,因此,对虚拟自然场景建模与绘制技术的研究具有重要的理论意义和应用前景。本文重点围绕模型简化、大规模地形建模与绘制、动态海面波浪建模与绘制以及碰撞检测等关键技术进行分析和研究,具体内容如下:(1)模型简化是实时绘制的必要前提和重要手段,本文重点研究特征保持的模型简化技术。针对QSlim算法的过简化问题,提出区域划分和多特征引导的模型简化方法。首先在分析物体属性特征的基础上,对模型进行区域划分并计算其三角形单元的分布密度,以控制模型简化深度,然后利用模型的几何特征、视觉特征构造多特征度量函数,以增强简化模型的特征保持,使新方法在保证计算速度的同时也可有效保持简化模型的特征信息。(2)地形是虚拟自然场景仿真的基本组成部分,针对大规模地形的复杂度与绘制速度间的矛盾问题,提出大规模地形的数据组织与调度方法,即外存数据管理和内存多线程调度。在外存方面,将大规模地形进行分块,分别创建多分辨率层次,并结合顶点相关性进行数据排序和压缩;在内存方面,利用基于视点运动特性进行地形数据预取,并采用多线程并行策略进行数据调度,使该方法在保证地形真实感的基础上,减少数据调度量,从而提高地形绘制速度。(3)动态海面模拟是影响虚拟自然场景仿真质量的关键因素,针对动态海面模拟中的真实感和实时性间的矛盾问题,提出算法调和的动态海面建模方法。该方法将动态海面视作基波、高频细波和光照模型的调和产物,结合海浪谱参数和余弦波叠加构造基波模型,利用基于波浪动态特征修正的分形算法调和海面的高频细波,最后研究GPU调和的海面光照技术,使该方法在不影响动态海面视觉效果的前提下,可有效提高其绘制速度。(4)碰撞检测是虚拟场景仿真的“生命”体征之一,考虑碰撞检测算法的实时性需求,提出基于CPU和GPU的并行碰撞检测方法。在分析拓扑结构图的基础上,创建拓扑结构图引导的包围盒层次,并结合拓扑结构图同层节点间的分离性,提出CPU多线程并行策略更新和遍历包围盒及包围盒层次,此外,利用GPU并行计算三角形的相交性,并研究数据组织方法和通信策略以提高CPU与GPU间的通信效率,使该方法能有效减少包围盒相交测试对的数量,提高碰撞检测速度。
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全文目录
摘要 5-7 Abstract 7-12 第1章 绪论 12-32 1.1 论文的选题背景及意义 12-13 1.2 虚拟自然场景仿真研究现状 13-17 1.2.1 建模技术 13-14 1.2.2 绘制技术 14-15 1.2.3 虚拟场景仿真平台 15-17 1.3 虚拟场景仿真关键技术研究现状 17-28 1.3.1 模型简化 18-21 1.3.2 大规模地形绘制 21-23 1.3.3 动态海面仿真 23-26 1.3.4 碰撞检测 26-28 1.4 研究中存在的问题 28 1.5 论文主要研究内容和组织结构 28-32 1.5.1 论文主要内容 28-29 1.5.2 论文结构安排 29-32 第2章 基于区域划分和多特征引导的模型简化方法 32-50 2.1 引言 32-33 2.2 方法概述 33-34 2.3 特征区域划分 34-38 2.3.1 初始元素选择 35 2.3.2 基元属性度量 35-38 2.3.3 特征区域划分 38 2.4 多特征引导的模型简化 38-44 2.4.1 视觉特征度量 39-41 2.4.2 形状特征度量 41 2.4.3 限定的模型简化 41-43 2.4.4 新顶点选择 43-44 2.5 实验与结果分析 44-49 2.5.1 合理性分析 44 2.5.2 实验结果分析 44-49 2.6 本章小结 49-50 第3章 大规模地形的数据组织与调度方法研究 50-70 3.1 引言 50-51 3.2 外存数据管理 51-56 3.2.1 地形分块策略 51-53 3.2.2 限定的 4-8 网格法 53-54 3.2.3 自适应多分辨率构造方法 54-55 3.2.4 空间误差评估 55-56 3.3 数据存储与索引 56-60 3.3.1 顶点存储与索引 56-58 3.3.2 三角形存储与索引 58-60 3.4 多线程数据调度 60-64 3.4.1 基于视点属性的数据分区 60-62 3.4.2 分辨率误差评估 62 3.4.3 多线程数据调度 62-64 3.5 实验与结果分析 64-69 3.5.1 实验环境 64 3.5.2 实验结果分析 64-69 3.6 本章小结 69-70 第4章 算法调和的动态海面建模方法研究 70-88 4.1 引言 70-71 4.2 海面基波建模方法 71-73 4.2.1 物理波浪建模方法 71 4.2.2 波浪基波建模方法 71-73 4.3 分形算法调和的高频细波建模 73-79 4.3.1 基于改进曲面熵的波形分区 73-75 4.3.2 分形算法调和的高频细波模型 75-78 4.3.3 视觉特性调和的波浪合成 78-79 4.4 GPU 调和的视觉效果 79-82 4.4.1 光学效果 79-80 4.4.2 纹理优化 80-82 4.5 实验与结果分析 82-87 4.5.1 正确性分析 82 4.5.2 实验结果分析 82-87 4.6 本章小结 87-88 第5章 基于 CPU 和 GPU 的并行碰撞检测方法 88-112 5.1 引言 88-89 5.2 方法概述 89-93 5.2.1 碰撞检测分析 89-91 5.2.2 算法思想 91-93 5.3 多核 CPU 并行的 BVH 处理 93-100 5.3.1 拓扑结构图构建 93-97 5.3.2 拓扑结构图相关的任务分解 97-98 5.3.3 自适应任务分配 98-99 5.3.4 拓扑结构相关的 BVH 创建 99-100 5.4 GPU 并行的基元相交测试 100-104 5.4.1 基于 Morton 码的数据标识 100-102 5.4.2 CPU 与 GPU 的数据通信 102-104 5.5 实验与结果分析 104-110 5.5.1 复杂度分析 104-105 5.5.2 实验结果分析 105-110 5.6 本章小结 110-112 结论 112-114 参考文献 114-127 攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果 127-128 致谢 128-129
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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 计算技术、计算机技术 > 计算机的应用 > 信息处理(信息加工) > 计算机仿真
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