虚拟地景生成算法研究和仿真平台开发

论文摘要

虚拟现实技术是目前较热门的研究课题之一,随着技术上的进步与成熟,它的应用已经由过去的娱乐与模拟训练发展到包含航空、航天、铁道、军事、建筑等领域。目前国内外虚拟现实发展的主力仍旧在3D逼真环境的模拟,在虚拟现实的地景生成方面,集成多种地景的地景生成平台较少,其中很多地景生成平台功能较单一,或者只能生成某个地形的地景,或者只能提供给用户具有固定特征参数的地形,而不能满足各种特定目的的需要。本文在全面分析各种地景的生成算法的基础上,结合某项目需要提供高程数据的现实需要,开发了一个能对虚拟地景进行仿真的平台。主要工作概括如下:1.分析和研究了目前海面生成的几种方法,具体研究了基于海浪谱的仿真方法,运用P-M海浪谱与我国《海港水文规范》中给出Donelan方向分布函数构成海浪的方向谱,采用了两种风场对海浪进行分析讨论,通过分析阵风场中风力变化对方向谱函数的影响模拟了不同风场情况下的海浪,能较好的模拟低海情情况下的海浪。2.研究了其它地形的生成方法,采用分形算法中的随机中点位移法的菱形方形细分法进行建模,针对MPD算法生成的地形总体过分崎岖的现状进行了平滑处理,针对边界缝合处会出现相邻点落差较大或者较小的情况进行了处理,使得生成的高程地表相邻点的落差范围落在视觉所能接受的范围,同时把MPD算法仿真的地形与曲面插值算法所仿真的地面进行比较,MPD算法对粗糙度较高的地表的模拟比插值法更符合实际情况。3.本文在VC6.0环境中使用MFC结合OpenGL设计了一个地景仿真平台,本平台对海面、山地、平原、丘陵这些地景进行仿真,给出满足用户指定特征参数的地面仿真图,同时给用户提供所生成地形的高程数据DATA文件,方便后面对高程数据进行处理分析。此外对地面网格图形进行光照、纹理贴图处理,适当增加了生成地形的真实感。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 虚拟地景仿真平台研究的背景和意义
• 1.2 虚拟地景仿真技术的发展现状
• 1.2.1 虚拟现实的定义与发展
• 1.2.2 工具的发展
• 1.2.3 三维地形绘制技术发展现状
• 1.3 课题的主要研究内容
• 第二章 基于海浪谱的虚拟海面的实现
• 2.1. LONGUET-HIGGINS 模型
• 2.2 海浪谱的介绍以及选取
• 2.2.1. Neumann 谱
• 2.2.2. PM 谱
• 2.2.3. JONSWAP 谱
• 2.3 海浪方向分布函数的选取
• 2.4 各参数的计算
• 2.4.1 幅度计算
• 2.4.2 峰值频率计算
• 2.4.3 频率范围和分段数目
• 2.4.4 波数的确定
• 2.4.5 方向角的确定
• 2.5 风场模型
• 2.5.1 风速函数
• 2.5.2 风速变换过程中对海浪频率的影响
• 2.6 仿真效果
• 2.7 本章小结
• 第三章 基于随机中点位移法的丘陵、平原、山地的生成
• 3.1 分形的几何特征
• 3.2 分形地形的模拟方法
• 3.2.1 泊松阶跃法
• 3.2.2 逆傅里叶变换法（IFT）
• 3.2.3. Weierstrass-Mandelbort 随机函数法
• 3.2.4 中点位移法
• 3.2.5 逐次随机增加法（Successive Random Additions）
• 3.3 其他地形模型建立实现
• 3.3.1. MPD 法生成山地的算法步骤
• 3.3.2 对于随机高程值的处理方式
• 3.3.3 地形的平滑处理
• 3.4 本章小结
• 第四章 三维地形仿真系统的实现
• 4.1. OPENGL 简介
• 4.2. VC 中OPENGL 编程步骤
• 4.3 场景描述
• 4.3.1 地形曲面绘制
• 4.3.2 场景光照
• 4.3.3. OpenGL 中的纹理技术
• 4.4 仿真平台的设计
• 4.4.1 界面的设计
• 4.4.2 对地形高程数据的存储
• 4.5 平台的操作显示结果
• 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果