铁路运输抑尘虚拟仿真系统研究

摘要

三维场景渲染与实时交互技术是开发虚拟现实系统的核心技术。由于不同场景结构及组成方式的不同，三维场景的渲染与实时交互也不尽相同。本文在分析了传统三维场景的组织与渲染机制的基础之上，针对室内环境与室外环境交替出现，场景对象纹理复杂，光照多变的特点，提出了对场景组织渲染的改进方法;根据场景中交互的需要，从听觉、视觉、触觉三个方面对虚拟现实中的交互技术进行了论述，并对粒子喷淋算法、三维声效算法进行了改进和设计;并以此为基础，针对铁路运输抑尘系统培训的需要，设计并实现了铁路运输抑尘虚拟培训系统。本文的主要研究内容包括以下几点: 1.基于BVH与动态渲染树的场景组织算法。OPENGL流水线中可绘制体渲染状态的改变对渲染速度影响最大。为了减少可绘制体渲染状态改变的频率，提出了基于BVH与动态渲染树的场景组织算法，该算法将场景中可绘制体的渲染状态组成渲染状态树，通过对渲染状态树进行优化排序，降低渲染过程中对象状态的切换频率，提高渲染速度。 2.基于多视图并行化的延迟渲染算法。首先分析了光线跟踪和光栅化两种算法的优缺点，然后结合平台需要提出基于多视图并行化的延迟渲染算法，该算法不仅能较好的表达深度信息，而且并行化的处理使系统的实时性显著增强。 3.基于压力控制的粒子喷淋算法的设计与实现。由于粒子系统自身的属性设置限制了其实时变化的特性，因此本文针对培训平台中粒子实时喷淋的特点，设计了基于压力控制的粒子实时喷淋算法，通过设置状态回调，实时改变粒子系统状态。 4.基于osgAL的三维声效设计。首先分析了三维声效在虚拟培训中的意义，然后分析了三维声效的原理和设计思想，最后针对抑尘系统的现场特点，设计了多种静态、动态声效，从而为培训者提供一个高度逼真的虚拟声音环境，提高培训者在抑尘培训系统中知识获取的效率。

目录

声明

摘要

第1章 引言

1．1 研究背景、目的及意义

1．1．1 选题背景

1．1．2 选题目的与意义

1．2 课题研究现状

1．2．1 三维场景渲染的发展现状

1．2．2 虚拟作业培训现状

1．2．3 OSG的发展现状

1．3 课题的研究内容

1．4 论文的组织结构

第2章 三维场景建模与优化

2．1 模型结构与建模策略

2．2 环境模型构建方法

2．2．1 场景地形的细节层次构建

2．2．2 场景天空包围盒构建

2．3 三维模型优化技术研究

2．3．1 遮挡裁剪技术

2．3．2 几何体简化技术

2．3．3 基于Mipmap的纹理映射技术

2．4 本章小结

第3章 三维场景的组织与渲染

3．1 场景组织管理概述

3．1．1 场景图

3．1．2 基于渲染状态的场景管理

3．1．3 基于包围体的场景管理

3．1．4 基于几何剖分的场景管理

3．2 基于BVH与动态渲染树的场景组织研究

3．2．1 BVH场景图

3．2．2 场景对象渲染状态树

3．2．3 基于BVH与动态渲染树的场景组织渲染机制

3．3 基于延迟着色的多视图并行渲染算法

3．3．1 主流渲染算法比较

3．3．2 基于延迟着色的场景渲染

3．3．3 多视图并行渲染

3．4 本章小结

第4章 三维场景的交互研究

4．1 三维交互概述

4．1．1 视觉反馈

4．1．2 三维声音交互

4．1．3 触觉反馈

4．2 三维操作

4．2．1 基于外在设备的三维操作

4．2．2 混合增强现实的虚拟操作

4．2．3 基于多通道的三维场景操作

4．3 三维虚拟声效的研究与设计

4．3．1 虚拟声效的设计思想

4．3．2 基于osgAL的虚拟声效的实现

4．4 基于压力控制的粒子喷淋仿真算法的研究与实现

4．4．1 算法的提出

4．4．2 算法实现

4．4．3 算法的实现结果

4．5 本章小结

第5章 铁路运输抑尘虚拟仿真培训原型系统的设计与实现

5．1 系统建设方案

5．1．1 运行的软硬件环境

5．1．2 软件构架思路

5．1．3 系统总体方案

5．2 系统功能模块设计与实现

5．2．1 基础教学演示子系统

5．2．2 虚拟设备组成培训子系统

5．2．3 基础三维场景子系统

5．2．4 培训演练与考核子系统

5．3 系统核心引擎与工程配置

5．3．1 核心引擎

5．3．2 工程配置

5．4 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 论文的主要成果

6．2 未来的研究方向

参考文献

附录

个人简历及发表论文情况

致谢