虚拟现实中的虚拟场景生成研究

论文摘要

摘要：自二十世纪九十年代以来,虚拟现实技术(VR)一直是信息领域研究、开发和应用的热点方向之一,它在飞行仿真、交互式GIS、数字地球、信息可视化和游戏娱乐等领域都有广泛的应用。这些应用不仅要求生成高度真实感的复杂虚拟环境,而且用户要和虚拟环境进行互动,增强交互性和沉浸感。随着虚拟现实技术应用的不断深入,人们对复杂虚拟场景的真实感要求越来越高。然而虚拟场景的真实感和实时动态显示是一对矛盾,如何在提高实时性的前提下,尽可能满足视觉逼真度的要求是一个难点。虚拟场景的实时生成是虚拟现实技术中极富挑战性的课题和研究领域。本文以北京交通大学校园场景为研究对象,对虚拟场景生成技术进行了一些研究和实验,在此基础上完成了具有交互式的虚拟校园漫游系统,总体上达到了虚拟场景实时逼真显示的效果。本文的具体研究内容如下：1.研究和总结了虚拟场景绘制中的纹理映射、实时渲染、LOD、DOF等相关技术,并运用这些技术通过Creator对校园场景逐一进行了建模,使用边折叠技术对以上模型进行了优化,然后进行了场景整合。2.针对Creator中使用Billboard技术生成的树木模型在近视点效果较差的问题,本文使用分形方法生成三维树木模型,并将树的图像替代模型和分形模型结合起来,初步解决了树木模型在虚拟场景中的可视化问题,以达到逼真、高速的可视效果。3.通过Vega和Virtools设计完成了校园自动漫游和自主漫游系统,并添加了碰撞检测效果,实现了校园场景的实时漫游。系统实现了视点前进、后退、左右平移、旋转、天气变化、背景音乐开关等功能,具有良好的交互性。4.以递进网格简化算法作为连续LOD模型的生成方法,通过为场景提供不同的LOD描述控制场景复杂度,提高了场景的渲染效率和漫游系统的真实感。5.研究了描述不规则物体的粒子系统,并对雨雪粒子系统进行了简化,通过控制粒子的产生、活动、死亡过程,在漫游系统中实现了雨雪效果。

论文目录

• 致谢
• 中文摘要
• ABSTRACT
• 序
• 1 绪论
• 1.1 虚拟现实技术
• 1.1.1 虚拟现实的概念
• 1.1.2 虚拟现实的特征
• 1.1.3 虚拟现实中的虚拟场景生成
• 1.1.4 三维虚拟场景的应用前景
• 1.1.5 虚拟现实技术的研究现状
• 1.2 课题的研究目的和意义
• 1.3 论文结构安排
• 2 场景建模和视景仿真中的相关理论介绍
• 2.1 纹理映射技术
• 2.2 LOD技术
• 2.3 DOF技术
• 2.4 虚拟场景漫游技术
• 2.4.1 基于场景交互的人工漫游
• 2.4.2 基于预设路径的自动漫游
• 2.4.3 碰撞检测
• 2.5 小结
• 3 基于Multigen Creator的校园场景建模及优化
• 3.1 Multigen Creator简介
• 3.1.1 Creator系统构成
• 3.1.2 OpenFlight数据库格式
• 3.2 虚拟校园体系结构
• 3.3 实体建模
• 3.3.1 地形建模
• 3.3.2 建筑物建模
• 3.3.3 植物建模
• 3.4 模型简化
• 3.5 场景整合
• 3.6 小结
• 4 三维树木模型生成
• 4.1 分形理论及其应用
• 4.1.1 分形的定义
• 4.1.2 分形的典型例子
• 4.1.3 分形的应用
• 4.2 树木的分形特征及常用方法
• 4.2.1 函数迭代系统
• 4.2.2 L系统
• 4.3 树木模型构建
• 4.3.1 二维树解释模型
• 4.3.2 三维树木模型生成
• 4.4 树木模型的三维可视化
• 4.4.1 LOD层次划分
• 4.4.2 算法原理与算法框架
• 4.5 小结
• 5 虚拟校园漫游系统的实现
• 5.1 Vega简介
• 5.1.1 LynX面板
• 5.1.2 Vega中的虚拟场景渲染
• 5.2 基于Vega的自动漫游系统实现
• 5.2.1 LynX设置和Vega驱动
• 5.2.2 Vega中碰撞检测的处理方法
• 5.3 Virtools简介
• 5.4 自主漫游系统实现
• 5.4.1 LOD技术实现
• 5.4.2 基于粒子系统的雨雪效果的实现
• 5.5 小结
• 6 总结与展望
• 6.1 本文研究工作总结
• 6.2 有待进一步研究和解决的问题
• 参考文献
• 附录
• 作者简历
• 学位论文数据集