教育机器人复杂场景建模及优化技术的研究与实现

摘要

虚拟现实技术在这几年来越来越得到国内外广泛学者的关注，并且它拥有广泛的应用前景。三维场景的构建是虚拟现实技术中的一个重要组成部分。在三维场景构建中场景建模技术、建模优化技术是它主要拥有的两个研究方向。场景建模技术中有着建模方法、纹理映射、光照材质等相关技术，建模优化技术中有着场景分割、实例化、可见性裁剪、层次细节等相关技术。
　　本文主要是为了实现教育机器人平台中的场景子系统，用来构建复杂的比赛场景来应用于虚拟机器人的仿真竞技。本文研究、实现并改进了几种常见的场景建模技术和建模优化技术，主要内容如下：
　　1、研究了三种建模方法，并且选用几何建模方法通过3Ds MAX建模软件构建物体模型并将其导出成.obj文件来供场景系统使用；研究木纹纹理、水波纹理的合成公式来给场景系统中的木材、湖泊提供纹理素材，使用 mip-map技术解决纹理拉伸和收缩时的反走样问题；实现了 phong简单光照明模型，主要考虑来了镜面反射、漫反射和环境光反射。
　　2、对BSP树场景分割算法进行了改进，在划分前先将原有模型结构化，等划分完成以后又对其中的模型细化，这样使用两种模型来完成场景的划分，克服了原先划分操作中每一侧空间中的物体都不能存在凹多边形的问题，减少构建的场景树中多余的深度和划分；研究并使用实例化技术，在建立有许多类似物体的场景时采用抽象模型对象的方式存储模型信息，用这些抽象对象再具体化到每一个拥有各自大小、位置、方向、颜色的实例上从而节约模型的存储空间。
　　3、使用层次遮挡图来改进扩展阴影裁剪算法，建立多分辨率的层次遮挡图来应用于重叠、深度两个测试，算法在被遮挡测试时节省了不少时间。
　　4、改进传统 LOD技术的多分辨率模型存储方式，仅保留存储分辨率最高的模型信息，并且按照各层分辨率模型之间的差集来对仅有的这个分辨率最高的模型中的信息进行不同标识，大大减少了原先需要将所有分辨率模型都存储起来所花费的模型存储的空间，并且在实际运行过程中发现该算法在模型切换时也要平滑得多。

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第一章 绪 论

1.1课题的背景与提出

1.2国内外工作现状

1.3课题研究的内容与意义

1.4论文组织结构和内容

第二章虚拟现实与虚拟建模技术

2.1虚拟现实的概念以及特点

2.2虚拟现实的常见应用

2.3虚拟建模关键技术

2.4 JME图形引擎介绍

2.5本章小结

第三章教育机器人场景建模技术研究

3.1三维场景建模方法

3.2场景系统涉及的纹理映射技术

3.3场景系统中的光照明模型

3.4本章小结

第四章教育机器人场景建模优化技术研究

4.1教育机器人场景系统分割技术

4.2教育机器人场景系统实例化技术

4.3教育机器人场景可见性裁剪技术

4.4教育机器人场景LOD技术

4.5本章小结

第五章基于教育机器人的场景子系统的设计与实现

5.1教育机器人系统的基本介绍

5.2教育机器人系统各部分功能性需求

5.3场景子系统的设计与实现

5.4本章小结

第六章总结与展望

6.1全文总结

6.2研究展望

致谢

参考文献

攻硕期间取得的研究成果