基于OSG的虚拟场景中运动控制与交互技术研究

论文摘要

虚拟现实技术作为一门具有广阔应用前景的新兴科学技术,越来越受到大众的关注。沉浸性、交互性和构想性是虚拟现实系统的三大特征。然而,如果不能对虚拟场景进行实时自然的交互控制,这些特征也就无从实现。因此,虚拟场景中实时交互运动控制技术的研究,对虚拟现实技术的发展具有重要的推动作用。论文按照从理论到应用,从设计到实现的技术路线,结合物流中心立体仓库虚拟仿真系统和汽车起重机驾驶模拟器的开发,对虚拟场景中交互控制的关键技术进行了深入的研究。本论文中选用三维图形引擎OpenSceneGraph (OSG)作为视景仿真和实时渲染工具。首先对OSG中相关的技术进行了研究,叙述了常用的几种交互控制外部设备及编程接口。论文对虚拟场景中交互控制技术分两方面进行研究：对场景模型的运动控制和对相机视口的交互控制。虚拟场景中的物体运动应该尽可能地符合实际物理规律。论文描述了刚体运动的控制方法,探究了三维按钮菜单的交互技术,基于动画模型开发了一种人物角色驱动控制模式,并针对柔性物体运动的复杂性,引入物理引擎进行实时物理模拟控制。拥有良好的相机视口控制机制,既能够方便用户对虚拟场景的漫游观察,又能够增强虚拟现实系统的沉浸感。论文从分析三维图形显示原理和OSG的相机控制机制入手,研究了基于动画相机的具有平滑过渡效果的视口切换技术,开发了带有物理属性的弹性相机视点。论文最后叙述了交互控制技术在“物流中心立体仓库虚拟仿真系统”和“汽车起重机驾驶模拟器”中的应用,并且深入分析了交互硬件外部设备的接入技术。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的背景和意义
• 1.2 虚拟现实软件开发概述
• 1.2.1 开发特点
• 1.2.2 主要组件构成
• 1.2.3 开发工具
• 1.3 国内外研究和发展现状
• 1.4 论文的主要工作和组织结构
• 第2章 图形引擎OSG及交互外设接口
• 2.1 OSG概念
• 2.2 OSG的体系结构
• 2.3 场景图技术
• 2.4 渲染方式
• 2.5 OSG程序框架
• 2.6 交互控制外设接口
• 2.7 本章小结
• 第3章 虚拟场景中模型运动控制的关键技术研究
• 3.1 数学和力学背景
• 3.1.1 向量
• 3.1.2 四元数
• 3.1.3 矩阵
• 3.1.4 粒子动力学
• 3.1.5 刚体动力学
• 3.2 运动控制的程序框架模型
• 3.3 三维菜单按钮交互
• 3.4 刚体简单运动控制
• 3.5 动画模型及人物角色驱动控制
• 3.6 柔性物体运动控制
• 3.7 本章小结
• 第4章 虚拟场景中相机交互控制的关键技术研究
• 4.1 三维观察
• 4.2 OSG的相机控制机制
• 4.3 几种经典的相机操作器
• 4.3.1 轨迹球方式
• 4.3.2 场景漫游方式
• 4.3.3 驾驶模式
• 4.3.4 跟随节点方式
• 4.4 动画相机及平滑过渡效果
• 4.5 带有弹性的相机视点设计
• 4.6 本章小结
• 第5章 交互控制技术在视景仿真软件中的应用
• 5.1 物流中心立体仓库虚拟仿真系统
• 5.1.1 功能分析
• 5.1.2 程序框架
• 5.1.3 运行结果
• 5.1.4 交互控制技术的应用
• 5.2 汽车起重机驾驶模拟器
• 5.2.1 功能分析
• 5.2.2 程序框架
• 5.2.3 运行结果
• 5.2.4 交互控制技术的应用
• 5.3 交互硬件外设的接入
• 5.4 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 6.1 论文总结
• 6.2 研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和参加科研项目情况