汽车驾驶模拟器视景中的多边形网格实时重建技术研究

论文摘要

虚拟环境是一种先进的人机界面,能同时提供诸如视觉、听觉、触觉等各种直观、自然的手段,与计算机中的模型进行实时交互,从而生成一种具有真实世界效果的计算机环境。随着计算机技术的迅猛发展,虚拟现实技术的应用领域也必将越来越广泛。在生成真实感图形的同时,也需要虚拟环境具有良好的实时性。 基于虚拟现实技术的汽车驾驶模拟器要求具有良好的人机界面,同时要满足虚拟环境沉浸(Immersion)、交互(Interaction)和构想(Imagination)的特征要求,所以,在开发汽车驾驶模拟器的过程中,视景系统的设计和实现尤其重要。 驾驶模拟器视景中,景物几何模型的表面通常由三角形网格构成,含有大量三角形面片,例如建筑群落、起伏的地形等。如果计算机的处理速度不够快,组成景物的大量多边形便成为瓶颈,往往导致视景系统的实时性达不到要求,出现失帧,使得视景运行不流畅,严重影响驾驶模拟的效果。 因此,交互式驾驶模拟器视景绘制的实时性要求已成为驾驶模拟器开发中亟待解决的瓶颈问题。 本文讨论了与汽车驾驶模拟器相关项目的研究背景、视景系统开发有关的多边形网格建模原理、地形建模原理、以细节层次(LOD)技术为代表的多边形网格实时重建技术,并提出了一种在汽车驾驶模拟器视景系统中应用的景物优化方法。该方法根据细节层次技术的原理实时简化或复杂化景物的多边形网格,并将景物合理分类,对不同类型的景物相应采取了不同的优化策略,取得较好的效果,具有较强的实用性,为类似视景系统的开发工作提供了有价值的参考。 探讨了在Virtools Dev开发环境中应用基于渐进网格算法的实时连续LOD技术来解决这一问题的方法和策略,并利用开发平台软件包Virtools Dev的SDK,开发出了一种基于视距的LOD行为模块型控件,作为对Virtools Dev集成的几种LOD技术的有力补充。 构建了基于赛车游戏用驾驶硬件系统的虚拟汽车驾驶模拟器,为在家庭中的普及应用汽车驾驶模拟系统提供了一种经济、实用、便携的解决方案。

论文目录

• 第1章 绪论
• 1.1 课题的提出
• 1.1.1 汽车驾驶模拟器
• 1.1.2 国内外汽车驾驶模拟器发展现状
• 1.1.3 课题的提出
• 1.2 本研究的目的和意义
• 1.3 本研究的主要内容
• 1.4 本研究的总体结构及框图
• 第2章 多边形网格表示及优化
• 2.1 景物模型的多边形网格表示
• 2.1.1 景物模型的几何建模
• 2.1.2 规则形体的几何描述
• 2.1.3 形体的多边形网格表示
• 2.2 景物模型在视景中的优化方法
• 2.2.1 简单的光照模型
• 2.2.2 消隐技术
• 2.2.3 基于多边形网格的场景简化技术
• 2.2.4 基于渐进网格的简化算法
• 第3章 三维地形生成及其简化技术
• 3.1 数字高程模型
• 3.1.1 数字地形模型
• 3.1.2 数字高程模型
• 3.2 常用的几种数字高程模型
• 3.2.1 规则栅格网模型
• 3.2.2 等高线模型
• 3.2.3 不规则三角网模型
• 3.3 基于高程值拟合生成的地形
• 3.4 地形的简化技术
• 3.4.1 离散 LOD模型
• 3.4.2 连续 LOD模型
• 3.4.3 可变分辨率 LOD模型
• 3.4.4 地形 LOD模型的选取
• 3.5 对地形运用 LOD技术的技巧
• 第4章 驾驶模拟器视景系统的软件开发环境
• 4.1 可视化仿真视景系统的开发现状
• 4.2 常用视景系统开发平台
• 4.2.1 OpenGL
• 4.2.2 OpenGVS
• 4.2.3 Virtools
• 4.3 本文采用的开发流程
• 4.4 Virtools中行为模块的使用方法
• 4.4.1 行为模块的位置
• 4.4.2 行为模块的使用通则
• 第5章 LOD技术在视景中的应用
• 5.1 基于 Virtools环境的应用方案
• 5.1.1 算法的选取
• 5.1.2 Virtools中集成的LOD技术
• 5.1.3 应用方案
• 5.2 基于 SDK开发的 LOD行为模块
• 5.3 优化效果
• 第6章 硬件环境与接口编程
• 6.1 驾校用硬件环境
• 6.2 家庭用硬件环境
• 6.3 基于 Virtools的接口编程
• 第7章 总结与展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间参加的科研项目和发表的论文
• 附录