VRGIS城域仿真平台的场景组织与优化

论文摘要

目前,面向城市/区域仿真逐渐成为一个研究热点,随着计算机图形学和虚拟现实技术的发展,人们对于虚拟仿真环境的实时性、沉浸感提出了越来越高的要求,希望以更自然的方式来观察效果更逼真、范围更广的虚拟场景。从理论上讲,城域景观场景的复杂性是无限的,而任何硬件单位时间内的处理能力总是有限的。在城域景观仿真系统中,需要处理的数据量庞大、模型数目多,并且可见性判定和碰撞检测时的效率较低。因此,场景模型不同的组织和管理方式直接影响到系统的性能。本文参与设计并实现了一个面向城市/区域级的大场景、多精度等级的VRGIS (Virtual Reality Geographical Information System)虚拟现实仿真平台。VRGIS是一个基于OpenGL开发的三维图形引擎,支持由多数据源的海量数据构建的三维场景的稳定快速导航,采用组件式开发技术使VR与GIS两大功能模块实现无缝集成,具备多种自然现象的模拟仿真功能,具有真实感强、交互性强和仿真效果佳等优点。VRGIS平台已通过国家软件评测中心的质量认证。本文在研究现有各种虚拟场景组织及优化方式的基础上,引入了层次包围盒(HBB, Hierarchical Bounding Box)的方法来组织和管理VRGIS平台中的场景模型,使用HBB结构来对场景结构进行优化组织,并基于此结构实现了VRGIS仿真平台中可见性剔除、LOD、碰撞检测等功能。本文为VRGIS平台设计的最核心部分,其中,使用人工智能的视锥体裁剪方式以及基于HBB结构的城域景观大块场景LOD的实现为本文的主要创新点。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 虚拟现实技术与虚拟仿真平台
• 1.2 VRGIS 仿真平台简介
• 1.3 研究工作的背景与意义
• 1.4 本论文主要工作
• 第二章 三维虚拟场景数据组织
• 2.1 常见三维空间数据组织方式
• 2.1.1 三维空间数据结构
• 2.1.2 包围盒
• 2.1.3 空间分割法
• 2.1.4 层次包围盒
• 2.1.5 常见三维空间数据组织方式的比较
• 2.1.6 现有仿真平台数据的组织方式
• 2.2 VRGIS 场景的组织与管理
• 2.3 HBB 树的结构设计
• 2.3.1 HBB 树的分裂规则
• 2.3.2 HBB 树的结构设计
• 2.3.3 HBB 树的结构更新
• 2.4 本章小结
• 第三章 基于 HBB 结构的可见性剔除
• 3.1 可见性剔除的意义与方式
• 3.2 背面剔除
• 3.3 视锥体裁剪
• 3.3.1 基于HBB 视锥体裁剪的实现
• 3.3.2 人工智能方式的视锥体裁剪判断
• 3.4 遮挡剔除
• 3.4.1 常见遮挡剔除的方法
• 3.4.2 可见性剔除的改进算法
• 3.5 本章小结
• 第四章 基于 HBB 结构的 LOD 实现
• 4.1 LOD 介绍与意义
• 4.2 LOD 常见实现方式
• 4.2.1 LOD 细节模型的实现方式
• 4.2.2 动态LOD 模型生成算法的分类
• 4.3 基于HBB 结构的 LOD 实现
• 4.3.1 LOD 实现范围
• 4.3.2 本文中LOD 的实现
• 4.4 实验结果与小结
• 第五章 基于 HBB 结构的碰撞检测
• 5.1 碰撞检测基本原理
• 5.2 常用碰撞检测算法
• 5.3 大型复杂场景的问题分析
• 5.4 本文碰撞检测的实现
• 5.5 碰撞检测后的操作
• 5.6 本章小结
• 第六章 应用、总结与展望
• 6.1 VRGIS 平台的应用
• 6.2 总结
• 6.3 展望
• 参考文献
• 在学研究成果
• 致谢