虚拟现实中的自然场景渲染算法研究与实现

摘要

虚拟现实(Virtual Reality，简称VR)是一种基于可计算信息的沉浸式交互环境。实时、逼真的虚拟环境建立是虚拟现实技术的核心内容。开展虚拟场景实时生成与实时显示支撑技术的研究，并将研究成果以算法形式融合到各虚拟仿真环境中，以进一步实现真实感和临场感无疑具有重要的研究意义。 本文首先围绕虚拟现实平台显示系统设计做简要的介绍，主要针对两个方面：图形底层模块和上层扩展模块的设计；然后提出了基于可编程图形硬件来实时生成真实水面的渲染方法，通过实现水面建模和水面折射和反射效果来完成整个渲染的过程。在正弦波叠加的同时，利用两个凹凸纹理实现水面的动画效果，通过实时的纹理映射技术实现水面的反射、折射和菲涅尔等水面光照效果。 在大规模地形设计上传统的算法是四叉树结合LOD技术将大规模数字高程模型数据(DEM)进行分块，并对块内数据按照分辨率的大小分层存储。本文基于限制性四叉树LOD算法提出了预编译算法，提高了地形读取速度，增强了实时显示效果。该算法是基于限制性四叉树的一种高效的规则网格划分方法，内存开销少，降低了CPU的负担。 森林植被的实时可视化技术是复杂虚拟环境渲染的重要组成部分，也是影响虚拟环境逼真度的重要因素之一。本文提出了一种基于离散LOD-Imposter技术的森林实时渲染算法，该算法利用像素作为LOD选择参数，通过像素阈值判定对不同面数的模型进行选择渲染，使用二叉树遍历算法对场景中树的节点进行遍历，利用Imposter技术对距离较远的模型用一张texture进行渲染。通过使用关键帧增加树的动画效果，利用动态的光影效果提高了模拟树的逼真性。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1 课题来源

1.2 课题研究的目的和意义

1.3 国内外研究概况

1.3.1 LOD和多分辨率模型技术的产生和发展

1.3.2 基于图像的实时绘制技术

1.3.3 基于GPU的硬件加速技术

1.3.4 可见性裁剪技术

1.4 论文的主要研究内容

第二章虚拟现实平台介绍

2.1 引言

2.2 系统开发平台

2.3 显示系统架构

2.4 显示系统底层设计介绍

2.4.1 系统模块

2.4.2 数学库模块

2.4.3 资源管理模块

2.4.4 场景管理模块

2.4.5 内存管理模块

2.5 显示系统上层设计介绍

2.5.1 图形设备驱动模块

2.5.2 图形资源管理模块

2.5.3 图形场景管理模块

2.5.4 图形渲染模块

2.6 本章小结

第三章 基于GPU的水面实时渲染算法研究及实现

3.1 引言

3.2 GPU和可编程渲染管线

3.2.1 Vertex Shader

3.2.2 Pixel Shader

3.3 流体模拟的研究方法的发展

3.3.1 欧拉法

3.3.2 拉格朗日法

3.4 水面的几何建模

3.4.1 基于正弦波的水面建模

3.4.2 水面高度场的生成

3.4.3 水面几何波动的生成

3.6 菲涅尔效果

3.7 实验结果及结论

3.8 本章小节

第四章 基于四叉树LOD大规模地形预处理算法

4.1 引言

4.2 主要算法研究

4.2.1 ROAM算法

4.2.2 SOAR算法

4.2.3 Geo-Mipmapping算法

4.3 地形四义树LOD算法介绍和改进

4.3.1 地形LOD算法

4.3.2 地形网格模型

4.3.3 基于LOD地形算法分类

4.4 限制性四义树预处理算法

4.4.1 地形四义树和LOD层次结构

4.4.2 地形裂缝问题的解决

4.4.3 地形预处理算法设计

4.4实验结果及讨论

4.5本章小节

第五章基于离散LOD-Imposter技术的森林实时渲染算法研究及实现

5.1 引言

5.2 基于L-System的植物形态的模拟

5.2.1 L系统理论

5.2.2 L系统分类

5.3 离散型多分辨率LOD的实时绘制

5.4 基于关键帧的网格动画

5.5 Imposter技术的绘制

5.6 视见约束体设计

5.6.1 传统算法设计

5.6.2 快速算法设计

5.6.3 视见体剔除算法设计

5.7 实验的结果和讨论

5.8 本章小节

第六章结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

作者在攻读硕士学位期间公开发表的论文

作者在攻读硕士学位期间所开展的项目

致 谢