基于虚拟现实技术的动感过山车系统的设计与开发

摘要

虚拟现实技术是上世纪末新兴的尖端科技，是利用计算机模拟生成一个三维空间的虚拟世界，并提供视觉、听觉、触觉及嗅觉等感官的模拟，使用者可以通过传感检测装置与虚拟世界进行自然地交互并产生身临其境的体验。
　　 本文首先简要论述了虚拟现实技术，并详细地描述了动感过山车系统的设计方案及模块功能。之后在对虚拟现实建模方法全面分析的基础上，以过山车轨道模型为例，分别从几何建模、物理建模和运动建模三个方面对过山车虚拟场景的建模进行详细介绍。建模内容包括基于DirectX的场景模型机制的建立、对象三维模型的建立、对象模型在虚拟场景中的运动规则、运动模型在不同状态下的受力分析及对象模型在虚拟场景空间中的坐标(位姿)分析。由于过山车虚拟场景庞大且模型数量较多，我们应用对象模型的层次细分技术对模型进行简化，在分析多种常用算法之后选取基于边折叠的网格简化算法，并成功的对过山车轨道模型进行三级细分，在中远距离的场景中布置简化模型可大幅度减少系统工作量并提高创建及更新模型的效率。为使虚拟场景更具有真实感，还在过山车轨道拼接过程中增加了碰撞检测，在重点分析基于层次包围体树的碰撞检测算法后，综合层次包围球和OBB包围盒模型各自的优点，本文提出了适合轨道模型的混合包围盒碰撞检测模型，该模型在避免冗余求交运算的同时又保证了检测的精确性，并成功应用于系统的轨道拼接过程，避免了轨道重叠等与真实世界不符的情况出现。
　　 在模拟运动平台结构设计阶段，本文自主设计了基于电机滚珠丝杠的两自由度运动平台，并进行了运动仿真和运行试验，能够模拟过山车的各种运动位姿。最后利用面向对象的技术和思想，使用VS6.0编写了动感过山车的视景仿真系统，模拟过山车的摄像机视角输出画面，结合两自由度平台的同步运动使观众体验到虚拟现实技术带来的真实感和沉浸感。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 本课题研究的背景及意义

1.2 虚拟现实技术的发展概况

1.2.1 虚拟现实技术的国外发展概况

1.2.2 虚拟现实技术的国内发展概况

1.3 虚拟现实技术概述

1.3.1 虚拟现实的概念及系统组成

1.3.2 虚拟现实技术的应用

1.4 本文研究的主要内容及论文结构安排

第2章 动感过山车系统设计

2.1 动感过山车系统概述

2.2 动感过山车系统结构及功能描述

2.3 动感过山车系统模块设计

2.3.1 动感过山车硬件模块设计

2.3.2 动感过山车软件模块设计

2.3.3 软件子模块流程设计

2.4 本章小结

第3章 动感过山车系统建模

3.1 虚拟现实建模方法

3.1.1 几何建模

3.1.2 运动建模

3.1.3 物理建模

3.1.4 行为建模

3.2 系统虚拟场景模型机制的建立

3.2.1 基于DirectX的场景模型机制分析

3.2.2 模型引擎设计与分析

3.3 虚拟场景模型设计

3.3.1 场景3D模型设计

3.3.2 运动建模中的轨道拼接规则

3.3.3 轨道模型运动学分析

3.3.4 模型空间的位姿坐标分析

3.4 虚拟场景中模型的层次细分

3.4.1 LOD简化技术实现的原理

3.4.2 典型LOD算法概述

3.4.3 基于边折叠的网格简化

3.4.4 试验结果分析

3.5 本章小结

第4章 过山车虚拟场景中模型的碰撞检测

4.1 碰撞检测算法的分类

4.1.1 基于时间域的碰撞检测算法分类

4.1.2 基于空间域的碰撞检测算法分类

4.2 基于层次包围体树的碰撞检测算法

4.2.1 基于AABB层次包围盒树的碰撞检测算法

4.2.2 基于层次包围球树的碰撞检测算法

4.2.3 基于OBB层次包围盒树的碰撞检测算法

4.3 过山车场景中的碰撞检测算法

4.3.1 基于混合层次包围体树模型的提出

4.3.2 混合层次包围盒及基本元素的相交测试

4.4 本章小结

第5章 动感过山车系统集成及实现

5.1 动感过山车系统整体框架和仿真过程

5.1.1 系统集成结构

5.1.2 系统运行流程

5.1.3 动感过山车系统程序结构

5.1.4 运动平台结构及仿真

5.2 系统运行实例

5.3 本章小结

第6章 结论与展望

6.1 论文总结

6.2 下一步工作展望

参考文献

致谢