基于分形理论的地形场景实时真实感绘制

摘要

虚拟现实技术在计算机仿真、数字地球和游戏娱乐等领域都有广泛的应用。这些应用不仅要生成高度真实的复杂虚拟环境,而且用户要和虚拟环境进行互动,增强交互性和沉浸感。使人可以随心所欲的在环境中漫游,跟在真实的环境中体验一样。随着虚拟现实技术应用的深入,人们对虚拟场景的复杂度和真实感要求越来越高,远远超过了计算机图形硬件实时处理能力。因此如何在PC机上进行三维地形场景的真实感绘制是一个挑战性课题。三维地形场景的真实感绘制追求的两个目标是绘制的逼真度和绘制的实时性,需要在不明显降低图像质量的条件下保持较高的交互帧速率。文章运用分形理论生成三维地形场景,为了满足实时性的要求,采用连续LOD算法和其它技术来加速地形绘制;为了满足逼真度的需求,采用纹理映射和光照映射。这种方法可以在普通微机上基于分形理论实现三维场景的真实感绘制,达到实时性和逼真度的要求。文章针对当前地形三维可视化及其实时绘制技术的研究现状,在现有三维计算机图形学、计算几何、科学计算可视化、虚拟现实、计算机网络的先进理论和技术成果的基础上,围绕地形三维可视化及其实时绘制技术中的三维真实感地形生成、分形地形模拟、地形简化和多分辨率表达等核心技术内容展开讨论与研究,目标是实现三维真实感地形绘制,更好地满足三维真实感地形绘制的实时性和逼真度。所做的主要工作有:(1)基于OpenGL三维图形库及其工作原理,对三维真实感地形生成的基本过程进行了详细剖析,提出了一些加强渲染效果和加快绘制速度的具体措施。(2)基于分形的原理,对采用分形布朗运动模拟地形的方法进行了系统研究,给出了采用随机中点位移法中的“diamond-square

目录

中文摘要

英文摘要

1 绪论

1.1 问题的提出及研究意义

1.1.1 问题的提出

1.1.2 研究的意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文研究的目的和研究内容

1.3.1 本文研究的目的

1.3.2 本文研究的主要内容

1.4 论文的结构安排

2 三维真实感地形的生成

2.1 引言

2.2 OpenGL 概述

2.2.1 OpenGL 使人们进入三维图形世界

2.2.2 OpenGL 提供直观的三维图形开发环境

2.2.3 OpenGL 成为目前三维图形开发标准

2.3 OpenGL 基本理解

2.4 Windows NT 下OpenGL 的结构

2.5 OpenGL 工作流程

2.6 OpenGL 图形操作步骤

2.7 OpenGL 基本功能

2.8 从三维空间到二维平面

2.8.1 相机模拟

2.8.2 三维图形显示流程

2.9 纹理映射

2.10 光照模型

2.11 本章小结

3 分形地形模拟

3.1 分形几何概论

3.1.1 概念的提出

3.1.2 分形研究的对象

3.1.3 分形几何学的创始

3.2 分形布朗运动

3.2.1 分形布朗运动的由来

3.2.2 分形布朗运动的数学定义

3.2.3 分形布朗运动的性质

3.2.4 fBm 的实现方法

3.3 随机中点位移法

3.3.1 随机中点位移法原理

3.3.2 二维随机中点位移法的构网形式

3.4 菱形一方形网(diamond-square)算法实现及其试验分析

3.4.1 菱形一方形网(diamond-square)算法

3.4.2 核心算法程序实现

3.4.3 三维地形模拟效果

3.5 本章小节

4 虚拟场景中实时图形绘制和加速技术

4.1 可见性剔除(Visibility Culling)

4.1.1 视锥体裁减和背面裁减

4.1.2 闭塞裁减算法(Occlusion Culling)

4.1.3 入口裁减技术(Portal Culling)

4.2 多分辨率层次细节LOD 简化技术

4.3 基于图像的实时绘制和加速技术

4.3.1 纹理映射技术

4.3.2 Billboards(布告版技术)

4.3.3 Imposters(精灵技术)

4.3.4 层次图像缓冲技术

4.4 本章小结

5 多分辨率地形表示技术

5.1 引言

5.2 分类

5.3 典型模型和算法

5.3.1 层次细分模型

5.3.2 多边形金字塔模型

5.3.3 顶点层次模型

5.4 实时优化自适应网格ROAM 模型

5.5 分析结论

5.6 本章小结

6 虚拟场景中的应用

6.1 引言

6.2 模拟驾驶的虚拟场景生成技术

6.3 四叉树的优势

6.4 基于自适应四叉树多分辨率地形模型

6.4.1 自适应四叉树结构(Adaptive Quadtree)

6.4.2 静态裁剪

6.4.3 误差测试

6.4.4 实时动态网格生成

6.4.5 地形简化实例与性能分析

6.5 虚拟场景中的应用

6.6 本章小节

7 总结与展望

7.1 论文的主要研究内容和创新之处

7.2 研究展望

致谢

参考文献

附录