航海模拟器视景系统中阴影技术的研究

论文摘要

视景系统是航海模拟器的重要组成部分,要求对所模拟船舶及航行环境有真实的再现。阴影能增强三维虚拟场景的真实感并为场景中物体的空间关系提供重要的视觉信息,帮助船舶驾驶人员获得准确的位置信息,为船舶的操纵提供重要依据。本文重点研究视景系统中的阴影绘制技术,在满足阴影绘制真实感的前提下提高阴影绘制效率,对栈桥、直升机、码头等重点景物的阴影绘制进行了深入研究,取得了较为满意的效果。本文的主要贡献包括以下几个方面：深入研究了阴影图（Shadow Map）算法,针对阴影图算法边缘走样的问题,提出了基于比例分割的多阴影图绘制算法,依据场景中对象距离视点远近,使用按比例分割的方法对阴影图进行合理的分割,减小了缓存资源的使用,提高了距离视点较近处场景的采样率,减小近处场景阴影的走样。针对阴影体算法填充率高、无法适应复杂场景的问题,提出一种优化的阴影体绘制算法。该算法首先限定阴影绘制区域,然后根据视点是否处于阴影体内动态使用Depth-pass或Depth-fail方法加速阴影的绘制,提高绘制效率；采用一种自动填补网格中孔洞的算法保证阴影体生成的正确性；对阴影体算法进行改进,提出一种基于V-buffer的软阴影绘制算法,在GPU上通过V-buffer表达阴影区域的明亮度,实现了硬件加速的软阴影绘制。针对光线追踪算法运算量大,计算速度慢的问题,提出了基于GPU加速的光线追踪阴影绘制算法,将光线跟踪算法中光线-物体相交的计算移植到GPU上进行,在一定程度上提高了光线追踪算法的绘制速度。

论文目录

• 创新点摘要
• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 模拟器研制现状
• 1.2.1 STCW公约对航海模拟器的相关规定
• 1.2.2 具有三维视景的航海模拟器研究现状
• 1.3 增加阴影的必要性
• 1.4 阴影基础知识
• 1.4.1 阴影相关概念
• 1.4.2 主要阴影绘制算法介绍
• 1.5 本文的研究内容和章节安排
• 第2章 基于阴影图的阴影绘制算法
• 2.1 概述
• 2.2 阴影图算法原理与研究现状
• 2.2.1 阴影图算法原理
• 2.2.2 阴影图算法中存在的问题
• 2.2.3 阴影图算法研究现状
• 2.3 改进的基于视截体比例分割的多阴影图算法
• 2.3.1 算法的提出
• 2.3.2 视截体的划分
• 2.3.3 光截体的划分
• 2.3.4 Shadow Map绘制
• 2.3.5 使用GPU加速Shadow Map阴影绘制
• 2.3.6 算法的实现与对比测试
• 2.4 本章小结
• 第3章 基于阴影体的阴影绘制算法
• 3.1 概述
• 3.2 阴影体算法原理与研究现状
• 3.2.1 阴影体算法原理
• 3.2.2 阴影体算法研究现状
• 3.3 阴影体的基本算法及优化
• 3.3.1 阴影体的基本算法对比
• 3.3.2 阴影体算法的优化
• 3.4 基于阴影体的软阴影绘制算法
• 3.4.1 基于阴影体的软阴影绘制研究现状
• 3.4.2 基于能见度缓存的软阴影绘制算法
• 3.5 算法对比测试
• 3.6 本章小结
• 第4章 基于光线追踪的阴影绘制算法
• 4.1 概述
• 4.2 光线追踪的原理与研究现状
• 4.2.1 光线追踪的原理
• 4.2.2 光线追踪阴影绘制算法
• 4.2.3 基于光线追踪的阴影绘制算法研究现状
• 4.3 GPU加速的光线追踪阴影绘制算法
• 4.3.1 算法原理
• 4.3.2 光线相交检测的优化
• 4.3.3 GPU上计算的步骤
• 4.4 绘制效果对比
• 4.5 本章小结
• 第5章 阴影绘制算法在航海模拟器视景系统中的应用
• 5.1 航海模拟器视景系统的场景管理
• 5.1.1 模拟器场景开发软件介绍
• 5.1.2 OpenSceneGraph体系结构
• 5.1.3 模拟器视景系统管理结构
• 5.1.4 可编程图形处理单元及主要编程语言
• 5.2 阴影绘制算法在模拟器视景系统中的应用
• 5.2.1 基于比例分割的多阴影图算法在模拟器视景中的应用
• 5.2.2 基于阴影体算法的软阴影在模拟器视景中的应用
• 5.2.3 基于GPU加速的光线追踪阴影绘制算法在模拟器视景中的应用
• 5.3 阴影绘制效果对比测试
• 5.4 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 全文结论
• 6.2 研究展望
• 参考文献
• 攻读学位期间公开发表论文
• 致谢