大规模动态虚拟场景管理关键技术的研究

摘要

虚拟场景的组织与管理是虚拟现实应用的基础和保障，真实感和实时性是虚拟场景管理的两个基本要求。即使在计算机硬件处理能力，特别是图形硬件性能突飞猛进的今天，在虚拟场景的真实感和实时性要求之间也必须采取某种程度的折衷。
　　在此背景下，本文提出了如何生成和管理基于井下金属矿山作业环境的大规模动态虚拟场景，使之既能满足与用户交互的实时性又能满足场景渲染的真实感。主要研究内容如下:
　　1)对于虚拟的井下金属矿山作业场景而言，不能将整个场景一次加载到内存。因此采用基于入口划分的策略将场景划分更小的场景块，当系统运行时，只需加载当前所在场景的块。最后以块为单位，实现了大规模场景的组织管理和碰撞检测。
　　2)综合分析了虚拟场景的组织管理方式对场景管理效率的影响，本文提出了一种改进场景图的场景管理方法，通过实施场景管理与渲染分离的策略，采用场景图作为管理场景的组织方式，提高了与用户交互的效率;对于室内场景采用对象二叉树与室外场景采用对象八叉树作为碰撞检测和渲染场景的组织方式，以加速碰撞检测和渲染。
　　3)由于碰撞检测是在运行期间进行，针对井下金属矿山作业环境中大部分物体是静态的，而碰撞检测又具有局部性，为了减少运行时的系统开销，可以对场景中物体的可碰撞性检测进行预计算而不是在运行期间进行计算，获得潜在可碰撞集，本文提出了一种获得潜在可碰撞集的方法，并在此基础上实现碰撞检测算法。对大规模虚拟场景分块后，本文引入缓存机制对加载到内存中的场景块进行管理，并以场景块为并行粒度实现基于MPI技术的并行碰撞检测。
　　演练平台应用实例已完成开发工作，并进行了严格的系统性能测试，测试结果表明平台已经能够达到预期目标，验证了该方法既能满足用户交互的实时性又能够增加渲染的沉浸感。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 场景组织管理研究现状

1．2．2 碰撞检测研究现状

1．3 本文研究内容

1．3．1 虚拟场景的组织管理

1．3．2 虚拟场景的碰撞检测

1．4 论文的组织结构

2 虚拟场景管理的相关技术

2．1 虚拟场景组织中常用的技术

2．1．1 场景图

2．1．2 二叉空间分割树

2．1．3 八叉空间分割树

2．1．4 包围体层次树

2．1．5 常用的组织技术性能评价

2．2 碰撞检测中常用的包围盒技术

2．2．1 轴对称包围盒

2．2．2 方向包围盒

2．2．3 固定方向包围盒

2．2．4 包围球

2．2．5 常用包围盒的性能评价

2．3 本章小结

3 大规模动态虚拟场景的组织与管理

3．1 场景块的划分与组织

3．1．1 场景块的划分策略

3．1．2 场景块划分及组织

3．1．3 场景块的物理存储方式

3．2 构建场景图

3．3 室内场景构建对象二叉树

3．4 室外场景构建对象八叉树

3．5 本章小结

4 大规模动态虚拟场景的碰撞检测

4．1 预处理阶段

4．1．1 潜在可碰撞集

4．1．2 物体的凸分解

4．1．3 构建物体凸块的AABB包围盒

4．1．4 创建潜在可碰撞集

4．2 初步检测阶段

4．2．1 AABB包围盒的动态更新

4．2．2 AABB包围盒相交性检测

4．3 详细检测阶段

4．3．1 Delaunay三角剖分

4．3．2 三角形相交测试

4．4 算法分析

4．5 碰撞检测的并行处理

4．5．1 基于场景块建立缓存机制

4．5．2 并行处理实现

4．6 本章小结

5 金属矿山3D训练平台的应用实例

5．1 原型系统的应用

5．2 软件功能模块的实现

5．2．1 矿山矿工模拟

5．2．2 矿山地面环境模拟

5．2．3 矿山井下作业环境模拟

5．2．4 矿山灾害模拟

5．2．5 碰撞检测模拟

5．3 性能对比分析

5．4 本章小结

6 总结与展望

6．1 研究总结

6．2 工作展望

参考文献

攻读学位期间主要研究成果

致谢