虚拟战场绘制的数据管理与特效生成

论文摘要

虚拟战场环境技术主要包括自然场景,如地理场景、海洋场景、气象场景、空间场景,以及武器平台实体、战场特效等部分的建模与绘制技术。大规模虚拟战场具有范围广大,自然场景复杂、武器平台实体和战场特效类型多等特点。为了提高绘制效率,需要实时处理包括地形、实体、气象、空间等方面的海量存储数据,这就对系统中的存储数据调度算法和组织结构提出了很高的要求,为了增强战场场景的真实感,对战场特效的逼真性要求也很高。本文在分析虚拟战场实时绘制系统中数据管理组织模型与特效生成要求的基础上,对其中涉及的主要问题进行了研究并给出了算法实现。本文完成的主要工作和取得的主要研究成果包括:首先,对传统三维大规模场景绘制中基于虚拟景物物理分类调度时存在的效率问题,将本体思想引入到三维场景绘制中,对资源消耗最大的元本体进行分析,提出了基于虚拟景物元本体的数据调度算法。试验表明,该方法能够最大限度的降低在绘制复杂场景过程中绘制景物元本体对系统资源不必要的消耗,有效提高大规模虚拟场景绘制系统的渲染效率。其次,使用粒子系统实现了对战场特效的实时绘制,研究相关特效物理模型并在充分吸取已有成果的基础上提出了基于简化模型的物理建模方法,在保证绘制效果的同时尽量提高系统的绘制效率。最终完成了对火焰、烟尘、水柱、尾迹、爆炸和舰船艏艉浪的模拟,并定义了相关接口,已应用到虚拟战场绘制系统中。增强加强了系统的“沉浸感”与“真实度”。再次,为了改进特效绘制帧数,研究并提出了基于GPU的特效绘制组织方法,该方法通过将各项粒子参数保存到纹理象素的(R,G,B,A)的四个浮点数中,粒子参数的实时更新始终在显存中进行,利用GPU强大的多通道并行处理能力进行加速,同时又减少了GPU与CPU的频繁通信。使得粒子特效的绘制效果和效率有了很大的提高。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.1.1 分布式虚拟现实
• 1.1.2 虚拟战场的提出与发展
• 1.1.3 虚拟空间战场环境
• 1.1.4 大规模场景的存储数据调度与组织
• 1.2 课题研究目标与难点
• 1.3 本文主要研究工作
• 1.4 文章结构
• 第二章 虚拟战场中的数据管理与调度
• 2.1 虚拟战场中的数据管理与调度概述
• 2.1.1 传统的场景图数据管理和其局限性
• 2.1.2 基于本体的景物绘制数据管理
• 2.2 基于本体的任务本体划分方法
• 2.2.1 元本体集合的"重要性"计算规则
• 2.2.2 集合群中元本体集合合并的前提条件
• 2.3 集合群中元本体集合合并流程
• 2.4 虚拟场景数据的绘制组织结构
• 2.5 实验结果分析
• 第三章 大规模场景中特效的实时绘制技术
• 3.1 相关研究工作
• 3.1.1 泛型粒子系统的建模技术
• 3.1.2 粒子系统的定义
• 3.1.3 泛型粒子系统的数据结构
• 3.1.4 泛型粒子系统的特点
• 3.2 使用粒子系统实现特效的建模技术
• 3.2.1 OpenGL简介
• 3.2.2 使用OpenGL实现粒子系统
• 3.3 虚拟战场中特效的粒子系统实时绘制技术
• 3.3.1 火焰特效建模与实时绘制技术
• 3.3.2 烟尘特效建模与实时绘制技术
• 3.3.3 水柱特效建模与实时绘制技术
• 3.3.4 爆炸特效建模与实时绘制技术
• 3.3.5 舰前浪特效建模与实时绘制技术
• 3.3.6 基于GPU的粒子系统特效绘制技术
• 3.4 本章小结
• 第四章 虚拟战场实时绘制系统框架设计与实现
• 4.1 虚拟战场实时绘制系统框架设计
• 4.2 实时处理程序框架UML结构图
• 第五章 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在攻读硕士学位期间论文发表情况
• 作者在攻读硕士学位期间参与的科研项目