基于月面特征的真实感数字月面建模关键技术研究

论文摘要

半个多世纪以来,月球探测一直是各国激烈竞争的科研领域。月球探测需要利用月球车探测器在月球表面实现软着陆,并执行较大范围的详细探测任务,为载人登月和建立月球基地做好准备。虚拟现实技术的出现为月球车的试验、优化等提供了一个新的有效的验证手段。创建包含月面地形特征的数字月面模型是进行月球车仿真最重要的部件之一,对研究是极具意义的。本文以上海航天局与上海交通大学合作的项目为背景,针对月球表面的环境特点,建立了具有真实感的数字月面,并成功地应用于月球车的仿真实验中。本文首先研究了三维地形生成的相关技术,并详细讨论了分形布朗运动的数学模型与基本性质,以及常用分形布朗运动的实现算法。基于随机中点位移法的思想,利用Diamond-Square算法生成了月面基础地形。接着根据人们对陨石坑的计算经验,得到了陨石坑近似的建模方法,生成了陨石坑。同时,利用三角形边界细分法生成了多种类型的分形石块。本文根据统计信息,将这两类月面的主要特征合理地与月面基础地形叠加在一起。然后研究了数字月面渲染所用到的相关技术。结合本课题的实际情况,将包含两类主要月面特征的数字月面地形进行光照、设置材质、纹理映射、阴影效果设置等渲染处理。最后,在Visual C++ 6.0的平台上,结合MultiGen Creator软件和SGI OpenGL Performer v3.2软件实现了真实感数字月面的创建,并转换成多种文件格式用于月球车的仿真实验。仿真实验表明,本文所创建的真实感数字月面模型符合一定的实际统计规律,也符合一定的物理规律,可以在实验中对月球车的动力性、稳定性、越障和避障能力等关键技术进行验证和考核,是满足仿真实验要求的。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的背景及意义
• 1.1.1 课题背景
• 1.1.2 课题研究的意义
• 1.2 国内外研究现状概况
• 1.2.1 虚拟现实技术的研究与发展
• 1.2.2 三维月面地形模拟相关技术研究现状
• 1.3 论文的主要内容及章节安排
• 第2章 分形地形生成技术
• 2.1 分形几何
• 2.2 分形布朗运动
• 2.2.1 布朗运动简介
• 2.2.2 分形布朗运动的数学模型
• 2.2.3 分形布朗运动的性质
• 2.2.4 fBm的实现方法
• 2.3 随机中点位移法
• 2.4 本章小结
• 第3章 真实感月貌生成
• 3.1 月面基础地形生成
• 3.2 月面特征的生成
• 3.2.1 陨石坑
• 3.2.2 石块
• 3.3 月面特征的融合
• 3.3.1 陨石坑的添加
• 3.3.2 石块的添加
• 3.4 本章小结
• 第4章 真实感月面渲染技术
• 4.1 光照模型
• 4.1.1 光照模型
• 4.1.2 光照处理
• 4.2 材质处理
• 4.2.1 材质属性
• 4.2.2 光照与材质的关系
• 4.3 纹理映射
• 4.3.1 纹理映射
• 4.3.2 二维纹理映射
• 4.3.3 纹理映射处理
• 4.4 阴影处理
• 4.4.1 阴影
• 4.4.2 阴影处理方法
• 4.5 本章小结
• 第5章 月面地形应用实例
• 5.1 开发环境简介
• 5.1.1 Multigen Creator软件介绍
• 5.1.2 SGI OpenGL Performer v3.2软件介绍
• 5.2 月面地形生成实例及应用
• 5.2.1 月面基础地形建模
• 5.2.2 陨石坑和石块的生成
• 5.2.3 陨石坑和石块的添加
• 5.2.4 月面地形的渲染
• 5.2.5 多接口的数字月面地形
• 5.2.6 月面地形在月球车仿真中的实现
• 5.3 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者从事科学研究和学习简历