高速铁路VR场景融合建模与实时绘制优化

摘要

虚拟现实(virtual reality，VR)是实现人-机-物互联互通的关键，利用虚拟环境支持高速铁路建设与精细化管理是当前发展的重要趋势，对铁路智能化发展具有重要意义。但是现有高速铁路VR场景往往存在融合效率低且绘制效率不高的问题，难以满足长距离大范围高速铁路高逼真度展示与高效交互分析的需求。针对上述问题，本文开展了高速铁路VR场景融合建模与实时绘制优化关键技术的研究，选择案例区域，研发原型系统并开展试验分析。主要研究工作和成果如下：　　(1)提出了高速铁路VR场景动态融合建模方法。首先介绍了地理场景融合方法原理，并进行了对比分析，然后给出了高速铁路场景动态融合的总体思路;接着实现了基于高度图的地形场景构建与空间约束下高铁场景建模，实现地形地物场景融合建模;最后设计了隧道口与地形交线计算方法，实现了基于模板测试的隧道口与地形的动态融合展示。　　(2)提出了高速铁路VR场景组织与绘制优化方法。首先采用八叉树方法对地形场景数据进行组织，并结合包围盒检测技术建立基于视锥体的地形调度方法;其次构建了高速铁路场景的多细节层次模型，将铁路模型进行分段组织;最后，设计了基于VR射线碰撞检测的模型动态调度方法，进行场景对象的可见性绘制优化，以实现多模式交互浏览与查询分析等应用。　　(3)研发了原型系统并进行案例试验分析。本文利用Unity3D、VisualStudio2018、HTCVIVE、戴尔图形工作站等软硬件设备，研发了原型系统，并选择以某高速铁路路段为案例区域，开展了试验分析。试验结果证明，本文方法可以支持高速铁路VR场景动态融合建模，100km融合建模整体时间500s左右，平均绘制效率在90帧/s以上，能够满足实时绘制要求，可有效地支持用户对铁路VR场景沉浸式游览与交互分析。

目录

声明

第1 章 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 虚拟地理场景融合建模方法现状

1.2.2 VR场景优化方法现状

1.3 研究目标与研究内容

1.3.1 研究目标

1.3.2 研究内容

1.4 论文章节安排

第2 章 高速铁路VR 场景动态融合建模

2.1 虚拟地理场景融合方法

2.1.1 地理场景融合方法原理

2.1.2 地理场景融合方法对比分析

2.1.3 融合总体思路

2.2 高铁VR场景地形构建

2.2.1 高度图的生成

2.2.2 地形建模

2.3 高铁VR场景铁路场景构建

2.3.1 铁路场景基元模型构建

2.3.2 高速铁路场景自动建模

2.4 隧道口与地形动态融合展示

2.4.1 基于模板测试的隧道口融合展示方法

2.4.2 动态融合步骤

2.5 本章小结

第3 章 高速铁路VR 场景组织与绘制优化

3.1 VR场景数据组织与绘制总体思路

3.2 地形场景模型组织绘制优化

3.2.1 基于八叉树的地形空间剖分

3.2.2 基于相机视锥体的地形调度

3.3 高速铁路模型组织与绘制优化

3.3.1 高速铁路模型分段组织

3.3.2 VR射线碰撞检测原理与方法

3.3.3 基于VR射线碰撞检测的模型调度优化

3.4 场景交互

3.4.1 多模式游览交互

3.4.2 查询分析

3.5 本章小结

第4 章原型系统与案例分析

4.1 原型系统开发

4.1.1 开发环境

4.1.2 系统功能介绍

4.2 案例区域与数据处理

4.2.1 案例区域介绍

4.2.2 数据处理

4.3 案例试验与分析

4.3.1 高速铁路VR场景融合

4.3.2 场景组织优化

4.3.3 场景融合与绘制效率分析

4.4 本章小结

第5 章总结与展望

5.1 论文工作总结

5.2 创新点

5.3 不足与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果