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基于脑机接口的控制及虚拟场景应用研究

作　者: 张璐琳
导　师: 莫宏伟
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 虚拟现实粒子系统 OpenGL 景物模拟脑机接口
分类号: TP391.9
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

论文首先阐述脑机接口的类型与国内外研究现状，了解到一些发达国家非常重视脑机接口的研究，预想将脑机接口技术与机器人的拟人化控制研究结合起来，实现意念控制机器人，达到无人化战场的目的；也将脑机接口设备应用到了网络游戏、娱乐、竞技体育运动训练、素质教育等领域，通过对不同状态下脑电信号的差异进行分析，然后在一些特定的软件下进行锻炼，让大脑能快速进入最好的工作、学习或者放松的状态。我国一些大学和研究机构也对脑机接口进行了研究，但是与国外还是有一定的差距。在过去的几十年，计算机图形学得到不断发展，推动了虚拟现实技术的广泛应用，包含建筑、娱乐、科学研究等领域。随着对虚拟场景真实性的要求的不断提高，许多模拟算法被提出，其中粒子系统是被公认最为有效地模拟不规则物体的算法。国内外专家对粒子系统进行了多方面的研究，应用粒子系统模拟了雨滴、雪花、火焰、云朵、烟花等多种景物，取得了很好的模拟效果。各个领域的应用对虚拟场景的交互性的要求越来越高，因此论文提出将脑机接口技术与虚拟现实技术结合起来，实现意念控制三维虚拟场景的目的。论文的主要工作如下：首先对MindWave脑电设备进行开发，设计信号采集控制程序，实现脑电波的获取，对各个脑电波进行数值和波形的显示；对该设备进行应用，将提取出脑电信号用于控制智能小车的停止、运动、转向和转向角度等。然后对虚拟实现技术和粒子系统的相关理论进行研究，分析了粒子系统的基本原理，总结出粒子系统的算法实现框架，并介绍才了OpenGL图形库。接着分析了雪景和烟花绽放的数学模型，重点对雪花和烟花的的分布区域、各种属性和运动模型进行研究，总结出雪景和烟花绽放的粒子系统模型，并对Diamond-Square算法进行了研究。在三维场景的建模过程中，为了增强虚拟场景的真实感，应用Diamond-Square算法，生成三维地形和地形与天空的纹理，应用纹理贴图技术，实现真实三维场景，并在场景中加入了树木模型。最后模拟降雪场景和烟花绽放场景，雪花和烟花场景中应用到了显示列表、纹理贴图、颜色混合、雾化效果、光照效果和公告板技术等。为了增强虚拟场景中的交互性和沉浸感，在粒子系统中加入脑电的专注度和放松度控制信号，控制虚拟场景中的雪花粒子系统和烟花粒子系统中粒子的属性。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-11
第1章绪论  11-21
  1.1 课题的背景及意义  11-12
  1.2 脑机接口的分类以及国内外研究现状  12-19
    1.2.1 脑机接口的分类  13-14
    1.2.2 非植入式脑机接口的类型  14-15
    1.2.3 脑机接口的研究现状  15-19
  1.3 粒子系统的研究现状  19-20
    1.3.1 国外研究现状  19
    1.3.2 国内研究现状  19-20
  1.4 论文组织结构  20-21
第2章脑机接口原理和应用开发过程  21-37
  2.1 脑机接口设备 MindWave 介绍  21-27
    2.1.1 脑电信号  22-23
    2.1.2 ThinkGear ASIC 芯片  23-24
    2.1.3 MindWave 通讯方式  24
    2.1.4 MindWave 采集的信号数据  24-25
    2.1.5 MindWave 的精确度  25-26
    2.1.6 MindWave 的应用领域  26-27
  2.2 MindWave 脑电设备的信号采集过程设计  27-32
    2.2.1 采集系统设计的准备知识介绍  27-28
    2.2.2 采集系统设计过程及实验结果显示  28-32
  2.3 脑电设备控制智能小车的开发过程  32-36
    2.3.1 智能小车系统构成  32-34
    2.3.2 智能小车的控制参数和控制方法  34-35
    2.3.3 控制智能小车程序的实现过程及实验结果显示  35-36
  2.4 本章小结  36-37
第3章虚拟场景相关理论与 OpenGL 技术基础  37-49
  3.1 虚拟现实技术  37-38
    3.1.1 虚拟现实的概念  37
    3.1.2 虚拟现实的特征  37
    3.1.3 虚拟现实中的虚拟场景生成  37-38
  3.2 粒子系统理论  38-40
  3.3 粒子系统的基本模型  40-44
    3.3.1 粒子的产生  40-41
    3.3.2 粒子的属性  41-42
    3.3.3 粒子的动态变化  42-43
    3.3.4 粒子的消亡  43
    3.3.5 粒子的渲染  43-44
  3.4 OpenGL 图形编程工具  44-48
    3.4.1 OpenGL 的工作原理  44-45
    3.4.2 OpenGL 的构成  45-46
    3.4.3 OpenGL 坐标变化机制  46-48
  3.5 基于 VC++下的 OpenGL 程序设计过程  48
  3.6 本章小结  48-49
第4章虚拟场景中自然景物的模型和算法  49-61
  4.1 粒子系统的框架和建模流程  49-50
  4.2 雪花粒子系统模型  50-52
    4.2.1 雪花模型分析  50
    4.2.2 雪花粒子的属性  50-51
    4.2.3 雪花粒子的运动模型  51-52
  4.3 烟花粒子系统模型  52-56
    4.3.1 烟花模型分析  52
    4.3.2 烟花粒子的属性  52-54
    4.3.3 礼花弹型烟花粒子的运动模型  54-56
  4.4 三维随机分形地形的生成  56-60
    4.4.1 分形理论  56-57
    4.4.2 分形算法的实现过程  57-58
    4.4.3 Diamond-Square 算法  58-60
  4.5 本章小结  60-61
第5章结合脑电信号的三维虚拟场景的仿真及其可视化  61-74
  5.1 三维虚拟场景仿真系统框架  61-62
    5.1.1 应用程序系统介绍  61
    5.1.2 系统组成结构  61-62
  5.2 三维虚拟场景系统  62-65
  5.3 虚拟雪花场景系统  65-69
    5.3.1 纹理贴图技术和公告板技术  65-66
    5.3.2 雪花场景的实现  66-69
  5.4 虚拟烟花场景系统  69-70
  5.5 结合脑电信号的虚拟雪花场景系统  70-71
  5.6 结合脑电信号的虚拟烟花场景系统  71-73
  5.7 本章小结  73-74
结论和展望  74-75
参考文献  75-79
攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果  79-80
致谢  80

基于脑机接口的控制及虚拟场景应用研究

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