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基于OSG的虚拟现实碰撞检测及GPU并行加速

作　者: 刘京
导　师: 王洪瑞
学　校: 河北大学
专　业: 检测技术与自动化装置
关键词: 虚拟现实碰撞检测 OSG GPU并行计算
分类号: TP391.41
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

碰撞问题是机器人、动画仿真、虚拟现实、计算几何、CAD/CAM等领域的关键问题之一,而实时性和精确性是衡量一个碰撞检测算法是否优越的重要标准。尽管国内外已经对碰撞检测问题做了许多有意义的工作,但是随着计算机软硬件及网络等技术的日益成熟,尤其是GPU并行计算技术的快速发展,不同规模程度场景下实时而又精确的碰撞检测问题逐步成为当前研究的热点。针对大规模复杂场景的碰撞检测问题,本文首先从场景渲染入手,在详细了解OSG渲染引擎的场景组织方式、渲染流程之后,利用新一代的三维图形渲染系统的功能特性,搭建一个高效的基于场景图的河北大学新校区校园漫游系统。进而在场景交互方面,通过深入研究基于图像的碰撞检测算法,提出了实时性更好的基于向指定平面投影、模板测试和深度测试的改进型图像空间碰撞检测算法,实现了虚拟校园漫游系统中对漫游角色模型与场景模型之间的快速碰撞检测。同时引入GPU并行计算,调高了碰撞检测的效率。对于更加注重于碰撞检测精度的虚拟手术仿真系统来说,本文在基于距离的碰撞检测算法基础之上,通过扫描线确定模型间潜在碰撞区域内的刨分顶点、自适应面刨分、构造刨分三角形、判断刨分点到刨分三角形之间的距离实现了骨锯模型和头盖骨模型间的精确碰撞检测。该算法不仅能获得碰撞发生位置,还把碰撞区域局限在几个刨分顶点构成的多个刨分三角形之内,同时还继续引入GPU并行计算技术,优化了整个碰撞检测算法,缩短了计算周期。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-10
第1章绪论  10-15
  1.1 课题的研究意义  10-12
    1.1.1 课题的研究意义  10-11
    1.1.2 课题来源  11-12
  1.2 国内外的研究现状  12-14
    1.2.1 场景渲染  12-13
    1.2.2 碰撞检测  13-14
  1.3 主要研究内容  14
  1.4 论文的组织结构  14-15
第2章技术基础  15-26
  2.1 场景图  15-18
    2.1.1 场景图概念  15-16
    2.1.2 场景图特性  16
    2.1.3 场景图优势  16-17
    2.1.4 现有场景渲染技术  17-18
      2.1.4.1 VRML  17
      2.1.4.2 VIRTOOLS  17
      2.1.4.3 VEGA  17
      2.1.4.4 JAVED3D  17-18
      2.1.4.5 OGRE  18
  2.2 碰撞检测算法  18-20
    2.2.1 基于物体空间结构的碰撞算法  19
    2.2.2 基于图像空间结构的碰撞算法  19-20
  2.3 GPU 并行计算技术  20-26
    2.3.1 GPU 基本概念  20-21
    2.3.2 GPGPU 通用计算  21
    2.3.3 CUDA 软件开发环境  21-26
      2.3.3.1 内核函数与线程结构  22
      2.3.3.2 CUDA 编程模型  22-24
      2.3.3.3 CUDA 存储器模型  24
      2.3.3.4 CUDA 软件体系  24-26
第3章基于OSG 三维渲染引擎的虚拟校园漫游  26-37
  3.1 三维渲染引擎--OSG  26-28
    3.1.1 OSG 概念  26-27
    3.1.2 OSG 的组成模块  27-28
  3.2 虚拟校园漫游系统的结构框架  28-29
  3.3 虚拟校园漫游系统的模型导入  29-30
  3.4 虚拟校园漫游系统的场景组织结构  30-32
  3.5 虚拟校园漫游系统的视图窗口设计  32-33
  3.6 虚拟校园漫游系统的人机交互控制  33-35
  3.7 虚拟校园漫游系统的渲染流程  35-36
  3.8 本章小结  36-37
第4章基于图像空间的快速碰撞检测算法及GPU 加速  37-50
  4.1 确定潜在碰撞对象  37-42
    4.1.1 传统的层次包围盒碰撞检测算法  37-39
    4.1.2 确定潜在碰撞对集  39-42
      4.1.2.1 AABB 相交测试  39-40
      4.1.2.2 GPU 加速计算  40-42
      4.1.2.3 AABB 包围盒的动态更新  42
  4.2 精确碰撞检测阶段  42-49
    4.2.1 算法基础  43
    4.2.2 算法实现  43-49
    4.2.3 实验分析  49
  4.3 本章小结  49-50
第5章基于距离的自适应面刨分碰撞检测算法及GPU 加速  50-64
  5.1 虚拟手术仿真系统  50-51
  5.2 确定潜在碰撞区域  51-52
  5.3 精细判断阶段  52-63
    5.3.1 算法基础  52-53
    5.3.2 确定局部模型的最佳刨分顶点  53-57
    5.3.3 GPU 并行计算  57-59
    5.3.4 自适应面刨分  59-61
    5.3.5 碰撞判断  61-63
  5.3 本章小结  63-64
第6章总结与展望  64-66
  6.1 总结  64
  6.2 下一步工作展望  64-66
参考文献  66-72
致谢  72-73
攻读硕士学位期间发表的论文  73

基于OSG的虚拟现实碰撞检测及GPU并行加速

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