基于网络虚拟现实引擎的宏观与微观空间三维可视化技术研究与应用

摘要

空间三维可视化是虚拟现实(VR)技术和空间研究相结合的新发展之一，是实现宏观空间与微观空间的三维表达的必要手段之一。论文研究了网络环境下虚拟现实技术的相关理论及其在各种环境下的解决方案，探讨了虚拟现实技术在以“数字地球”为代表的宏观空间与以“蛋白质与材料大分子的三维结构”为代表的的微观空间中的应用，设计了基于网络虚拟现实引擎、WebVR的空间三维可视化系统的构架。主要研究内容总结如下：
　　 1.介绍了网络虚拟现实与可视化技术的基础概念和发展历程，研究现状与WebVR引擎的发展背景，核心技术，应用研究以及功能和特色。介绍了WebVR技术已经在空间科学中的应用，以及其表达空间可视化的优势。结合当今硬件的发展以及新型软件对系统性能的需求，介绍了最新的可视化技术和传统的优化手段。在此基础上，研究并实现了新技术背景下WebVR引擎的关键技术。
　　 2.以“数字地球”为代表的地学大空间为例，研究了WebVR引擎在宏观空间的三维可视化中的应用。研究了多维数据融合的手段和构建三维地球模型的方法，研究了支持多用户同时在线的虚拟现实引擎WebVR，它将地理空间、虚拟空间与P2P覆盖网络映射，以业务化的四叉树方法对这三个空间划分。以Hash值标识为区域的地理编码，并以Hash值索引用户列表、地形数据、模型对象数据。通过改进的Kadmelia模型实现数据的分享。以多维互联网地理信息系统(WebGIS)为核心框架，以互联网虚拟现实(WebVR)技术为表现手段。
　　 3.以“动态蛋白质大分子结构”为例，研究了WebVR引擎在微观空间的三维可视化中的应用。研究了在计算机科学和可视化领域，帮助生物学家可视化，理解和操作大型和复杂的分子系统的进展。描述了不同分子表达的实现和计算，例如甘草，球棒，空间填充的范德华球与采用GPU处理表面的溶剂。介绍一个叫做Hyperball的改进的球棒表达，通过双曲面取代了使用管道，以顺利连接原子球。通过实例证明，这种方法对于表达动态现象尤其有用，例如非共价键的演变。此外它非常适合表达粗粒度模型以及弹簧网络。利用GPU渲染加速能力，这种方法可能常规的，准确的和交互的渲染从几个原子到高达50多万个原子组成的庞大分子。
　　 4.对WebVR引擎在宏观空间和微观空间可视化中应用进行了比较与借鉴。对于一些共同的优化手段进行了介绍。介绍GPU加速的原理，优势，和在宏观空间与微观空间中渲染带来的改进；介绍了基于P2P的数据分享与调度策略以及数据的流式传输方法；介绍了面向网络环境的空间索引方法，以及其在宏观空间和微观空间中的具体应用。综合这些优化手段，对宏观空间与微观空间可视化方法进行了综述。
　　 5.对WebVR技术在宏观空间和微观空间中的可视化的应用方法和应用实例进行了分析。分别面向宏观空间与微观空间实现了《基于P2P的WebVR大场景导航系统》和《面向网络环境的三维分子动态可视化平台》两个平台，并且分别对他们的性能进行了测试。同时尝试性的给出一个以现实空间的可视化技术表达抽象空间的例子。