塔式起重机模拟器场景中特效技术的研究与实现

论文摘要

塔式起重机作业环境中特殊效果种类繁多、表现各异,主要特点是形状不固定、运动不规则,难以用常规的建模和绘制方法来仿真,或者所建立的模型往往难以兼顾真实性、实时性和开放性等要求。粒子系统是用于不规则模糊物体建模及图像生成的一种方法,此方法采用了一套完全不同于以往造型、绘制系统的方法来构造和绘制景物,形成了景物的整体形态和特征以及动态变化。本论文以起重机驾驶模拟器作为场景,设计与实现了基于虚拟现实的逼真粒子特效。此课题来源于“国家质检总局科研项目基于半实物仿真的塔式起重机模拟培训系统(项目编号：2009QK0293)”和“塔式起重机集群安全作业智能控制系统(项目编号：2009QK0294)”。本论文首先介绍基于虚拟现实的粒子特效系统的基本概念、生成规则与过程后,通过对现有各种粒子系统的视觉效果的研究与分析,指出现有粒子效果不完善的地方以及改进方案。同时,根据现有的碰撞检测技术,分析了在粒子系统中的应用方法,使效果更逼真。在大型应用系统中加入粒子特效,可以有效地增强场景的真实性,使系统功能更强大,用户沉浸性更好。本文实现了多种粒子特效,如雨雪效、雾效、工地上施工的火花,在雪效的场景中,首次尝试对粒子使用碰撞检测技术进行粒子运动计算,使雪粒子不可穿越其他物体,以实现更逼真的场景。本文就三类特效场景、运动控制两个方面进行了设计,根据粒子场景的特点,采用基于纹理的建模方法,结合实时性渲染技术,建立了多种逼真的特效场景,不仅增加了场景的沉浸感,且提高了生成效率。为了使粒子场景效果更真实,本文采用碰撞检测技术对雪粒子的运动进行控制,给出了粒子与其他模型碰撞的结果以及分析,并在.net开发平台下,实现了塔机驾驶模拟器场景的漫游,最后对本文的工作进行了总结。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 课题研究的目的与意义
• 1.3 国内外研究现状分析
• 1.3.1 塔式起重机模拟器起源
• 1.3.2 国内研究现状
• 1.3.3 国外研究现状
• 1.4 关键技术
• 1.5 本文的研究内容及章节安排
• 1.5.1 本系统实现内容
• 1.5.2 本文章节安排
• 第2章 虚拟现实与粒子特效技术应用
• 2.1 虚拟现实概述
• 2.1.1 虚拟现实的背景
• 2.1.2 虚拟现实的意义
• 2.1.3 虚拟现实的发展
• 2.1.4 塔式起重机模拟器中的应用
• 2.2 特效技术
• 2.2.1 引入粒子系统
• 2.2.2 纹理技术
• 2.2.3 光滑的粒子动力学方法
• 2.3 生成粒子系统
• 2.3.1 粒子系统的组成
• 2.3.2 粒子系统的生成过程
• 2.3.3 粒子的主要属性
• 2.3.4 粒子运动属性分析
• 2.4 OPENSCENEGRAPH三维开源引擎与场景图形介绍
• 2.4.1 OpenSceneGraph概述
• 2.4.2 构建场景
• 2.4.3 动态更改图形
• 2.5 本章小结
• 第3章 总体设计与场景优化
• 3.1 系统总体设计
• 3.1.1 结构设计
• 3.1.2 开发环境选择
• 3.2 场景优化设计
• 3.2.1 场景图内核应用
• 3.2.2 场景实时渲染
• 3.2.3 模型分割技术
• 3.2.4 LOD技术
• 3.2.5 纹理映射技术
• 3.3 本章小结
• 第4章 粒子特效场景的设计实现
• 4.1 基于可编程图形处理器的雨雪场景
• 4.1.1 实现的结构
• 4.1.2 粒子的运动
• 4.1.3 实时控制技术
• 4.1.4 系统优化
• 4.2 雾效
• 4.2.1 设计实现
• 4.2.2 雾模式
• 4.3 基于纹理技术的火花效果
• 4.3.1 实现结构
• 4.3.2 运动学模型
• 4.3.3 纹理贴图的应用
• 4.3.4 事件响应机制
• 4.4 本章小结
• 第5章 雪效场景中碰撞检测实现
• 5.1 实时碰撞检测技术
• 5.1.1 碰撞检测原理
• 5.1.2 经典基于包围盒的碰撞检测算法
• 5.2 粒子系统中碰撞检测应用
• 5.2.1 实现算法
• 5.2.2 运动控制
• 5.3 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文及参加的科研项目