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大规模复杂场景中地形的实时绘制和优化渲染研究

作　者: 陈伟磊
导　师: 王洪瑞
学　校: 燕山大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 虚拟现实细节层次可见性剔除实时优化自适应网格四叉树几何多重映射分形
分类号: TP391.41
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

自20世纪90年代初以来,虚拟现实技术一直是计算机图形学领域的重要研究课题之一。三维真实感地形是虚拟自然环境不可缺少的因素,是虚拟仿真研究领域的重要组成部分。然而,由于硬件技术和数据传输技术的局限性,实时显示复杂地形场景和实时处理大规模地形数据成为地形生成技术的难点。因此,如何实现大规模复杂地形场景的逼真渲染效果,并实现地形场景绘制的实时性成为国内外研究的热点。本文主要对地形的实时绘制和优化渲染进行了深入研究,应用可见性剔除技术和细节层次技术,并结合实时优化自适应网格算法,分形算法,四叉树递归分割算法,GeoMipMap算法,提出了有效的简化策略。将地形简化技术的应用领域分为两大类进行了研究。对需要用真实的数据来建立地形模型并且动态漫游的情况,通过对实时优化自适应网格算法进行改进来提高地形绘制帧率,优化地形渲染效果。在该简化方案中,将可见性剔除技术进行进一步简化,屏幕误差判据采用嵌套包围球法和屏幕误差法相结合来改进。当模拟一个具有真实感的虚拟地形场景,而不需要用真实地形数据来建模时,采用分形算法用少量的数据来生成复杂的地形图像,并对其进行参数分析和渲染优化来大大增强图像的逼真度。由于分形算法有细节层次的局限性,将其分别与具有细节层次的动态四叉树算法、动态GeoMipMap算法相结合,两种设计方法均计算简单,图像质量逼真生动,地形场景不仅具有随机性、真实性,而且还具有动态性和实时性。本文对上述研究成果在理论上进行了详细说明,又通过计算机仿真验证了简化算法的正确性和实时性。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-10
第1章绪论  10-19
  1.1 引言  10
  1.2 地形仿真研究的目的和意义  10-12
  1.3 地形仿真研究的发展及国内外现状  12-16
    1.3.1 基于真实地形数据的地形生成和实时显示技术  12-14
    1.3.2 基于分形技术的地形仿真技术  14-16
  1.4 论文研究的主要内容及结构安排  16-19
第2章地形绘制的主要简化技术  19-29
  2.1 地形及其分类  19-20
  2.2 两种典型的数字高程模型  20-21
  2.3 可见性剔除技术  21-26
    2.3.1 相关概念  21-22
    2.3.2 简化原则  22
    2.3.3 视锥剔除  22-24
    2.3.4 背面剔除  24-25
    2.3.5 遮挡剔除  25-26
  2.4 细节层次技术  26-28
    2.4.1 LOD 技术的基本思想  26
    2.4.2 LOD 模型的实现方式  26-27
    2.4.3 LOD 模型的选择  27-28
  2.5 本章小结  28-29
第3章 ROAM 动态地形渲染算法的改进  29-41
  3.1 引言  29-30
  3.2 算法基础  30-33
  3.3 ROAM 算法的改进  33-36
    3.3.1 地形块的可见性投影剔除技术  33-34
    3.3.2 采用嵌套包围球的误差判据  34-36
  3.4 算法实现及仿真结果  36-39
    3.4.1 算法流程  36
    3.4.2 仿真结果及分析  36-39
  3.5 本章小结  39-41
第4章基于分形的真实感地形生成算法改进  41-52
  4.1 引言  41
  4.2 分形几何理论  41-43
    4.2.1 分形布朗运动(fractional Brownian Motion, fBM)  41-42
    4.2.2 随机中点位移法(Random Midpoint Displacement, RMD)  42-43
  4.3 菱形-方形网(Diamond-Square, D-S)算法  43-44
  4.4 分形地形的边界缝合技术  44-45
  4.5 纹理映射和光照映射技术  45-46
  4.6 仿真结果及分析  46-51
  4.7 本章小结  51-52
第5章基于GeoMipMap 和分形的地形动态生成算法  52-63
  5.1 引言  52-53
  5.2 GeoMipMap 地形动态生成算法  53-55
    5.2.1 GeoMipMap 算法思想  53-54
    5.2.2 地形块细节等级划分  54-55
    5.2.3 基于GeoMipMap 地形的绘制  55
  5.3 算法优化  55-58
    5.3.1 顶点数组的三角形扇存储方式  55-56
    5.3.2 地形纹理贴图  56-57
    5.3.3 渲染优化处理  57-58
    5.3.4 可见性剔除技术  58
  5.4 算法实现及仿真结果  58-62
    5.4.1 算法流程  58
    5.4.2 仿真结果及分析  58-62
  5.5 本章小结  62-63
第6章基于四叉树和分形的地形实时动态生成算法  63-72
  6.1 引言  63
  6.2 四叉树算法思想  63-64
  6.3 四叉树的地形动态生成算法  64-67
    6.3.1 基于四叉树的地形绘制  64-65
    6.3.2 地形裂缝、突跳处理  65-66
    6.3.3 可见性剔除技术  66
    6.3.4 顶点数组的三角形扇存储方式  66-67
  6.4 算法实现及仿真结果  67-71
    6.4.1 算法流程  67
    6.4.2 仿真结果及分析  67-71
  6.5 本章小结  71-72
结论  72-74
参考文献  74-79
攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果  79-80
致谢  80-81
作者简介  81

大规模复杂场景中地形的实时绘制和优化渲染研究

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