飞行模拟器大规模真实地形实时可视化技术的研究与实现

摘要

飞行模拟器通过对飞行过程中视觉、听觉、动感、力感等的模拟，能够在地面构建一个逼真的空中飞行的虚拟环境，在飞行员训练、飞行器设计与研究、人机环境实验等方面具有重要的作用。随着我国航空事业的发展和大飞机项目的启动，针对飞行模拟器的关键技术进行研究具有重要意义。三维地形是飞行模拟过程中窗外虚拟视觉环境的重要组成部分，地形可视化的真实性和实时性直接影响仿真的逼真度、沉浸感及有效性。飞行模拟的应用需求及地形模型特点决定了其可视化系统需要以实时交互的速度完成具有较高真实感的大规模室外地形场景的可视化；海量数据规模与现有硬件水平的矛盾成为系统实现的瓶颈，且随着对模型数据精度和渲染效果要求的不断提高而加剧。因此，针对模拟应用及硬件平台的特点，本课题研究大规模真实地形的实时可视化技术，为飞行模拟提供真实三维地形场景的实时可视化方案。
　　真实性和实时性是大地形可视化系统的两个主要目标，且真实性的提升需要以实时性的保证为基础。而在有限的硬件水平下，系统实现的矛盾主要体现在硬件处理速度、硬件存储及调度、传输能力几个方面。为此，实时可视化技术的研究从海量数据的渲染加速、组织与调度、数据累进压缩三方面展开，并且研究受真实地表特征控制的实时细节合成方法以增强场景的真实性。
　　首先为加速渲染，研究了基于规则地形块的平滑视相关 LOD渲染算法。针对GPU的数据处理特点，算法给出了规则地形块的四叉树模型结构，并在此基础上建立了集成可见性判断的自适应渲染框架。进而针对结构的规则性，提出了基于视锥三角形密度的精化判据和基于模板的渲染优化方法。对于渲染过程中的不连续性问题，给出一种空间和时间连续性问题一体化处理的平滑解决方案。实验分析表明算法能够适应GPU的特点，有效地提高了渲染效率，且保证了渲染的平滑连续。
　　其次为克服内存容量对场景数据规模的限制，研究针对粗粒度地形层次的基于外存的可视化技术，重点考虑海量多分辨率数据的组织和调度方法，力求减少数据调度对系统实时性的影响。在应用获取模式相关的数据相关性分析的基础上，给出了地形块簇的构建方法，进而提出了基于簇的数据组织方式。数据调度采用基于优先级的调度策略，并引入预取机制。给出了基于保守视锥的预测节点及其优先级属性的计算方法以提高预取效率。实验分析表明，方法能够有效地减少数据调度需求及数据加载时间，提高了数据调度的效率，减轻了数据调度对算法实时性能的影响。
　　进一步为缓解海量数据存储和传输带宽的压力，基于提升小波，提出了针对规则块四叉树结构的数据累进压缩与地形自适应构网结合的方法。方法侧重于实时解压效率及面向GPU的实现。首先建立了规则地形块的提升小波变换模型，将块的简化、精化操作映射为相应的小波变换。在此基础上，建立了块四叉树层次结构，并给出了基于间接查表的小波系数累进压缩存储方式。进而基于压缩的累进地形块层次结构，实现了在递进构造多分辨率模型激活地形块的同时完成数据的累进载入与实时解压。其中，地形块的数据解压及简化和精化操作在GPU中实时完成。实验结果表明算法实现了有效的数据压缩，提高了数据的实时解压速度，提升了可视化系统的实时性能。
　　为了提高场景的细节丰富程度和真实性，减弱真实大地形场景渲染对于海量高精度采样数据的依赖，提出了基于规则块结构的实时可控细节合成方法。针对块结构特点，使用基于四点细分的方法增加采样点和基于梯度Perlin噪声函数的多重分形算法计算细节扰动。其中分析了分形结果的影响因素，给出了分形可控因子，使分形计算生成的细节能够反映真实的地表特征。细节合成基于GPU实现，合成的地形块作为动态地形块通过动静结合的双层自适应层次结构与LOD渲染框架集成。实验结果表明算法能够使用有限的真实地形数据实时生成与实际地表特征相近的具有足够细节精度的真实大地形场景。
　　最后，搭建了基于PC的飞行模拟试验平台。集成实时可视化关键技术构建了大地形可视化系统，并将其与飞行模拟平台集成，实现了飞行仿真参数/手动驱动的真实大地形场景实时交互漫游，验证了大地形可视化方案的实用性及有效性。

目录

飞行模拟器大规模真实地形实时可视化技术的研究与实现

STUDY AND IMPLEMENTATION OF REAL-TIME VISUALIZATION TECHNIQUES FOR REALISTIC LARGE-SCALE TERRAIN IN FLIGHT SIMULATOR

摘 要

Abstract

目 录

Contents

第1章 绪 论

1.1 课题来源

1.2 研究的背景及目的和意义

1.3 飞行模拟器的研究概况

1.4 大规模真实感地形可视化技术的研究概况

1.5 研究的主要内容

第2章 基于规则块的平滑自适应地形渲染

2.1 引言

2.2 算法模型结构

2.3 基于规则块的动态自适应渲染

2.4 一体化平滑处理

2.5 算法的GPU 实现

2.6 实验结果及分析

2.7 本章小结

第3章 海量粗粒度多分辨率地形数据的组织与调度

3.1 引言

3.2 基于地形块聚簇的数据组织及分布

3.3 数据预取与调度

3.4 实验结果及分析

3.5 本章小结

第4章 基于提升小波的大地形累进压缩及多分辨构网

4.1 引言

4.2 提升小波变换及其特征分析

4.3 地形块的提升小波变换模型

4.4 累进地形块层次的构建及压缩

4.5 地形实时解压与自适应构网

4.6 实验结果及分析

4.7 本章小结

第5章 基于层次块的地形实时可控细节合成

5.1 引言

5.2 分数布朗运动模型及分析

5.3 网格细分

5.4 可控的细节扰动计算

5.5 面向GPU 的实时细节合成实现

5.6 实时细节合成与视相关LOD 的集成

5.7 实验结果及分析

5.8 本章小结

第6章 飞行模拟系统与大地形可视化的集成与实现

6.1 引言

6.2 飞行模拟试验平台的体系结构

6.3 飞行模拟地形可视化系统的集成与实现

6.4 本章小结

结 论

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书

致 谢

个人简历