基于虚拟现实的驾驶模拟器视景系统关键技术与艺术研究

论文摘要

基于虚拟现实的驾驶模拟器视景系统，又称为驾驶模拟器(Vehicle Simulator)，或模拟驾驶视景系统。它是一种能正确模拟虚拟驾驶动作，获得真实驾驶感觉的仿真设备，是以虚拟现实为特点的驾驶模拟操作软硬件技术的系统化封装。它集成了传感器、计算机、三维实时动画与视景仿真、计算机接口、人工智能、数据通信、网络、多媒体等先进技术与手段，以及人机工程学的理论与方法。本学位论文以驾驶模拟器的视景系统作为研究对象，针对目前国内外模拟器中普遍存在的缺陷或不足而展开。论文对多种建模理论与方法、纹理与特效、基于沉浸感的分布式多通道屏幕显示、基于分布式的虚拟交互技术与碰撞检测算法进行了系统、深入的研究，并在驾驶模拟器开发过程中得实际应用，效果良好。论文取得的成果和创新点主要有：1、深入研究了图象建模与几何建模相结合的建模方法，实现了以较少的系统消耗达到更加真实的视景仿真效果；采用基于Cg的“Shader”新技术，构建了一个优化和高逼真度的虚拟视景环境，并实现了虚拟环境中的动态流体特效和多层次纹理细节级别的良好效果。2、视景系统的特效技术研究，包括基于环境的粒子特效(如雾、雨、雪)的模拟，声音效果，GPS、仪表指示器仿真，基于全局光照的烘焙渲染技术等等，增强了驾驶模拟器视景仿真系统的可视化效果。3、自主研发了基于计算机群集的多通道屏幕投影与显示技术，实现了柱形、Cube(或Cave)、矩形拼接等高质量的多通道屏幕投影构架的分布式显示，满足了沉浸式虚拟驾驶演示环境的特殊要求，具有推广价值。4、实现了基于网络的分布式多客户、同场景的交互驾驶与实时通讯对话；解决了在虚拟城市交通中的红绿灯信号系统问题；实现了汽车在交通事故中损伤的实时、可视化表达和行车的真实感。5、从艺术特征与审美意蕴的角度，实践虚拟视景系统设计中的艺术与美学相结合的理念，为视景系统的开发与虚拟体验提供了艺术与美学领域的理论支持。本学位论文所论述的有关艺术与美学等方面的理论主要是以基于虚拟现实技术的驾驶模拟器视景系统的开发为依托，但同样适用于所有其它虚拟现实或非虚拟现实技术的数字化图形艺术设计。驾驶模拟器视景系统的交互控制是一种量化的程序，离不开科学的理念和尖端的技术；然而，虚拟可视化效果的处理具有更多的不确定因素，需要的是直觉，这便是艺术的范畴。如果虚拟视景系统的开发能结合艺术设计中的美学，把审美体验融合于视景沉浸与交互的整个过程，将大大拓展虚拟现实视景仿真系统的技术内涵，能更好地体现“以人为本”的思想。这是一个艺术与科学相结合的理念，是笔者的研究课题——基于虚拟现实的驾驶模拟器视景系统开发的理论指导思想。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 概述
• 1.1.1 课题的来源
• 1.1.2 课题的提出
• 1.2 研究背景及文献综述
• 1.2.1 虚拟现实及其分布式技术概述
• 1.2.2 驾驶模拟器视景系统技术概述
• 1.2.3 驾驶模拟器视景系统的发展状况
• 1.2.4 驾驶模拟器的发展方向
• 1.3 本文的主要工作
• 1.3.1 本研究的目的和意义
• 1.3.2 本研究的主要内容
• 1.3.3 本研究的总体结构及框图
• 第2章 视景系统的建模技术研究
• 2.1 基于几何的建模技术
• 2.1.1 几何建模方法的数学原理
• 2.1.2 三维几何模型对象的获取方法
• 2.1.3 三维几何建模技术的应用
• 2.2 基于图像的虚拟环境建模技术研究
• 2.2.1 基于图像的虚拟环境建模的技术原理
• 2.2.2 基于图像的全景图环境建模技术
• 2.3 图象与几何相结合的建模技术
• 2.3.1 图象与几何相结合的汽车建模
• 2.3.2 其它虚拟对象的建模
• 2.4 本章小结
• 第3章 视景系统的特效技术研究
• 3.1 基于粒子系统的仿真特效技术
• 3.1.1 雪的仿真实现
• 3.1.2 雨的仿真实现
• 3.1.3 烟、尾气的模拟
• 3.2 其它的视效仿真
• 3.2.1 雾效的仿真实现
• 3.2.2 声响模拟系统
• 3.2.3 车速表的模拟和实现
• 3.2.4 GPS系统的应用
• 3.3 模型光照与纹理渲染技术
• 3.3.1 漫反射分量
• 3.3.2 镜面反射分量
• 3.3.3 环境分量
• 3.3.4 光照方程
• 3.3.5 光照与渲染技术
• 3.4 基于Cg的Shader纹理特效技术研究
• 3.4.1 基于Cg的流体特效技术
• 3.4.2 基于Cg的Shader多分辨纹理技术
• 3.5 本章小结
• 第4章 视景系统的分布式多通道显示技术研究
• 4.1 视景系统的分布式显示技术的介绍
• 4.1.1 开发平台简介
• 4.1.2 分布式多通道的概念
• 4.1.3 帧缓存同步与垂直刷新同步
• 4.2 视景系统多通道投影屏幕的构筑技术
• 4.2.1 圆柱型投影屏幕视景的构筑
• 4.2.2 其它的多通道投影屏幕视景构筑技术
• 4.3 多通道投影屏幕运行组件的配置
• 4.3.1 配置文件介绍
• 4.3.2 多通道显示设备文件的配置
• 4.4 基于三通道显示环境的虚拟汽车驾驶仓的开发
• 4.5 本章小结
• 第5章 视景系统的分布式多客户与交互技术研究
• 5.1 虚拟驾驶系统的分布式多客户技术研究
• 5.1.1 分布虚拟汽车驾驶系统的体系结构
• 5.1.2 虚拟汽车驾驶系统的分布式技术开发
• 5.2 汽车的碰撞检测与事故仿真技术
• 5.2.1 碰撞检测原理分析
• 5.2.2 事故仿真技术的应用实例
• 5.3 虚拟交通控制系统中的交互技术研究
• 5.3.1 虚拟交通控制系统介绍
• 5.3.2 虚拟控制系统各交互模块的技术研究
• 5.3.3 应用实例
• 5.4 本章小结
• 第6章 视景系统的艺术特征与美学意蕴
• 6.1 视景系统的艺术特征
• 6.1.1 视景艺术设计的数字化与非物质特征
• 6.1.2 同构性
• 6.1.3 时间上的可逆性（无序性）
• 6.1.4 空间上的无限自由性（分布式的多元化空间）
• 6.1.5 交互性（互动性）
• 6.1.6 沉浸性（身临其境）
• 6.1.7 一种新的虚拟艺术实践
• 6.2 虚拟视景系统的美学意蕴
• 6.2.1 审美趣味论（生动性与趣味性）
• 6.2.2 全方位、多通道和自由的审美
• 6.2.3 审美营构论——视景艺术设计中的构成美学
• 6.2.4 视景艺术中的审美特性与意境论
• 6.3 本章小结
• 第7章 总结与展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间主持和参加的科研项目及发表的论文
• 附录1
• 附录2
• 附录3
• 附录4
• 附录5
• 附录6
• 附录7