虚拟场景绘制技术研究及其在门吊仿真系统中的应用

论文摘要

虚拟现实技术是自20世纪90年代以来的一个研究热点。网络技术的飞速发展,为研究基于网络的多用户分布式虚拟现实系统提供了条件。虚拟场景的绘制技术是虚拟现实系统的关键技术。基于图像的方法和基于建模的方法是生成虚拟场景的两种方法。但这两种方法都有各自固有的缺点,即前者不能实时操纵;后者建模成本大,绘制流水线长,更糟糕的是,在分布式环境下要通过网络传输大量三维数据,对网络带宽有很高的要求。本研究的主要目的是:在分别深入研究基于几何建模方法和基于图像的方法关键技术的基础上,突破两种方法各自的技术难点,充分利用两种方法的优点,同时结合网络实时渲染的研究,研究一种混合式的虚拟场景生成技术,即IBRAC（Image-Based Rendering Acceleration and Compression）技术。这种技术的思想是:服务器端按照基于几何的方法构建虚拟场景的3D模型;服务器端和客户端都按照基于图像的方法绘制虚拟场景。 本文研究了基于几何的绘制虚拟场景的关键技术,包括建立虚拟场景造型;取景变换、三维观察;隐藏面消除和裁剪等。我们结合理论研究,按照几何的方法建立了一个简单的虚拟门吊场景,实现了分布式虚拟门式起重机司机培训原型系统服务器端的主要功能,给出了系统实现的环境和部分运行界面。接着,我们对基于图像的方法进行了深入的理论研究,包括基于立体视觉的方法、全景图、基于视图插值的方法和全视函数。其中重点研究了全景图的生成过程和立体视觉方法中的摄像机的标定问题、对应点的匹配和透视关系的一致性。最后,我们按照IBRAC技术的方法对虚拟门式起重机司机培训系统进行了分析与设计,并分析了门吊仿真系统的性能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的提出
• 1.2 虚拟场景绘制技术的研究现状
• 1.3 本研究的目的和意义
• 1.4 本文的主要研究内容
• 1.4.1 理论与方法的研究
• 1.4.2 应用方面的研究
• 第二章 基于几何的三维场景建模与绘制
• 2.1 场景的几何建模
• 2.1.1 场景几何造型的建立
• 2.1.2 物体纹理映射
• 2.2 场景的三维观察
• 2.3 消隐和裁剪技术
• 2.4 小结
• 第三章 基于图像的虚拟场景的建模与绘制
• 3.1 基于图像绘制的理论基础
• 3.1.1 计算机视觉
• 3.1.2 计算机图形学
• 3.1.3 计算机视觉与计算机图形学的关系
• 3.2 几种常用的基于图像建模与绘制方法
• 3.2.1 基于立体视觉的方法
• 3.2.2 全景图
• 3.2.3 基于视图插值的方法
• 3.2.4 全视函数
• 3.3 小结
• 第四章 一种混合式的技术IBRAC在门吊仿真系统中的应用
• 4.1 IBRAC技术的关键算法
• 4.1.1 基于图像绘制加速技术（Acceleration）
• 4.1.2 压缩技术（Compression）
• 4.2 门式起重机仿真培训系统的分析与设计
• 4.2.1 分布式门式起重机仿真培训系统的总体结构
• 4.2.2 分布式门式起重机仿真培训系统绘制子系统的设计
• 4.3 门吊仿真原型系统的实现
• 4.3.1 系统运行环境
• 4.3.2 系统功能
• 4.3.3 系统部分运行界面与实例
• 4.4 门吊仿真系统的性能评析
• 4.5 小结
• 第五章 结论与展望
• 5.1 全文总结
• 5.2 工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录