嵌入式地形三维显示加速技术研究

论文摘要

基于嵌入式系统的大规模地形实时绘制技术是目前人们广泛关注和研究的热点课题之一。随着三维建模技术的发展,虚拟环境中的物体模型越来越复杂,结合嵌入式系统资源有限的特点,通过简化地形模型以加快地形绘制速度就成为大规模地形渲染的关键。本文主要阐述了地形三维显示的基本原理,并对现有地形三维显示系统的加速模式和加速方法进行了分析。在此基础上,针对嵌入式地形三维显示的实时性要求,提出了一种基于硬件逻辑实现几何图形变换的软硬件协同加速方法;研究并实现了基于数据模型简化的软件加速算法,完成了数据几何图形变换的硬件逻辑设计及协同软件编制;并进行了软硬件联调及功能测试。主要内容包括:1.介绍了地形三维显示的基本流程,并详细分析了地形三维模型的建模方法。2.研究了基于小波分析、多分辨率LOD和视区域裁剪的数据模型简化算法,提出了一种基于最小距离的简化评价系统和分块分层的数据调度管理方法,并对各模块进行了功能仿真和性能对比,在此基础上用C语言编程实现了基于嵌入式系统的软件加速算法。3.在数据模型简化的基础上,研究了地形数据几何图形变换算法,基于FPGA设计并实现该算法的硬件逻辑及协同软件,并对基于FPGA的硬件加速模块进行了仿真测试及性能分析。4.完成了基于嵌入式系统的三维显示加速技术的功能测试;验证了软件加速算法和图形变换硬件加速算法的地形渲染效果,并进行了性能对比分析。

论文目录

• 表目录
• 图目录
• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 三维显示的研究背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 通用GPU 技术的运用
• 1.2.2 图形编程API
• 1.2.3 实用平台现状
• 1.3 课题研究的目的及意义
• 1.4 论文研究的主要工作及安排
• 第二章 嵌入式地形三维建模与加速技术
• 2.1 嵌入式系统概述
• 2.2 三维可视化总体框架
• 2.3 数字高程模型（DEM）地形表面建模
• 2.3.1 数字地形的表示
• 2.3.2 等高线模型
• 2.3.3 不规则三角网（TIN）模型
• 2.3.4 规则格网模型（GRID）
• 2.3.5 三种不同DEM 建模方法的比较
• 2.4 基于FPGA 的三维加速技术框架
• 2.4.1 GPU 的技术框架和加速原理
• 2.4.2 本文采用的加速技术框架
• 2.5 本章小结
• 第三章 三维数据模型简化的加速方法
• 3.1 基于小波分析的动态多分辨率数据简化模型
• 3.1.1 小波分析理论简介
• 3.1.2 基于小波分析的多分辨率DEM 数据简化
• 3.1.3 简化模型性能分析
• 3.2 多分辨率层次细节技术（LOD）
• 3.2.1 分层分块式的数据调度方法
• 3.2.2 四叉树结构的多分辨率LOD 地形构造[49]
• 3.2.3 基于最小距离的简化评价系统
• 3.2.4 建模实验性能分析
• 3.3 可见性裁剪算法
• 3.3.1 视区裁剪基本原理
• 3.3.2 背面裁剪
• 3.3.3 遮挡裁剪
• 3.4 本章小结
• 第四章 基于FPGA 的几何图形变换设计与实现
• 4.1 数据几何图形变换算法
• 4.1.1 视点－模型变换
• 4.1.2 投影变换
• 4.1.3 视口变换
• 4.2 几何图形变换算法的硬件实现
• 4.2.1 通讯接口子模块的设计与实现
• 4.2.2 透视投影变换子模块的设计与实现
• 4.2.3 时序控制子模块的设计与实现
• 4.3 硬件模块的运行情况与性能分析
• 4.3.1 运行情况
• 4.3.2 性能分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 基于嵌入式系统的软硬件协同加速与性能分析
• 5.1 软硬件协同处理测试平台
• 5.2 软硬件协同处理的运行情况
• 5.3 软硬件协同处理的性能分析
• 5.3.1 测试程序的设计
• 5.3.2 系统数据误差率性能分析
• 5.4 软硬件协同加速的优点
• 5.5 下一步工作重点及展望
• 5.5.1 下一步工作重点
• 5.5.2 展望
• 5.6 本章小结
• 结束语
• 参考文献
• 附录A DEM 精度评估指标与方法
• 附录B ARM9 最小系统PCB 图
• 附录C ARM+FPGA 测试平台PCB 图
• 作者简历 攻读硕士学位期间完成的主要工作
• 致谢