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大规模城市场景的高效建模及其实时绘制研究

大规模城市场景的高效建模及其实时绘制研究

作者：刘波浙江大学

学位级别：硕士

近年来,快捷高效的大规模三维城市建模与绘制技术在军事国防、城市规划、数字化文物保护、交通导航、反恐怖活动和游戏数字娱乐等领域的应用需求迅速增长。传统的三维城市建模方法往往采用交互式几何建模工具软件,但由于城市各类建筑物... 详细信息

近年来,快捷高效的大规模三维城市建模与绘制技术在军事国防、城市规划、数字化文物保护、交通导航、反恐怖活动和游戏数字娱乐等领域的应用需求迅速增长。传统的三维城市建模方法往往采用交互式几何建模工具软件,但由于城市各类建筑物数目众多,这类方法耗时耗财、效率十分低下。而若仅凭遥感图像,由于缺少地面建筑物的高度数据及侧面纹理图像,建立的城市场景缺乏真实感。本文提出了一种大规模城市场景高效建模及实时绘制的新方法。对于城市场景的建模,我们提出并实现了基于模型模板库的过程式城市建模算法,采用虚实相结合的方法,高效生成大规模城市场景的各种风格建筑及小区布局。在城市场景绘制时,采用基于分页式的场景剔除及场景简化等技术,并考虑气象条件的影响,利用OGRE绘制平台,真实感地实现了大规模复杂城市场景的实时漫游,并实现了雨、雪等气象条件对城市场景的影响,场景平均绘制速度达到20帧/秒。本文第1章介绍了研究选题的背景和意义,回顾了前人的工作和研究现状,简述了本文工作的主要研究内容。本文第2章提出了提出并实现了基于模型模板库的过程式城市建模算法。该算法首先通过建筑物的航拍图及地面拍的图片来分层构建单体建筑物的几何与纹理,从而构建出该城市的建筑模型库;然后通过城市的小区规划图生成小区模板库。结合这些模型模板库,高效地生成大规模城市场景的风格建筑及布局。本文第3章介绍了大规模城市场景的实时绘制。首先简要介绍了OGRE绘制平台;讨论了城市绘制的脚本设计;然后描述了实现城市场景实时绘制的各种技术,如分页式地形管理、场景数据动态装卸载及场景简化及剔除技术等;并讨论了雨雪气象效果的绘制模型,并展示出大规模城市场景实时漫游的各种效果。在论文的最后,作者对本文的研究工作进行了总结,并提出了进一步的研究方向和任务。

关键词：大规模城市场景高效建模实时绘制过程式建模模型模板库分页式动态装卸载雨雪天气

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多发型头发实时绘制算法的研究

多发型头发实时绘制算法的研究

作者：田超浙江大学

学位级别：硕士

当前,计算机创造的虚拟人物在电影、游戏、广告等领域都有着广泛的应用。头发绘制对于绘制真实的人体起着至关重要的作用。然而,如何实现头发的实时绘制以及如何进行头发造型一直是计算机图形学领域的一个非常具有挑战性的问题。近年来... 详细信息

当前,计算机创造的虚拟人物在电影、游戏、广告等领域都有着广泛的应用。头发绘制对于绘制真实的人体起着至关重要的作用。然而,如何实现头发的实时绘制以及如何进行头发造型一直是计算机图形学领域的一个非常具有挑战性的问题。近年来,随着可编程图形硬件技术的高速发展,多发型头发的实时绘制成为可能。在当前可编程图形硬件的支持之下,本文提出了一种可支持多种发型的头发实时绘制算法。由于用表面表示的头发模型具有建模简单、在图形硬件的支持下绘制效率高等优点,本文采用表面模型来表示头发。但是以前的表面模型对发型的支持有限,为了在表面模型的基础之上支持多种发型,提出了“发型函数（Hair Style Function）”——“发型函数”简化了建模,减小了表示复杂发型所需的存储空间,并提高了绘制效率,是本文最重要的创新之处。此外,为了表现头发的复杂分布,在头发表面上映射一张亮度纹理和一张alpha纹理;为了计算头发各向异质的（anisotropic）光照,使用了Kajiya-Kay的经典毛发光照模型;本算法还高效地模拟了头发的自阴影,并采用阴影体（shadow volume）技术绘制全局阴影。算法实现时,使用Microsoft Direct3D 9.0 SDK作为3D开发库,并用HLSL（High-Level Shader Language）将大部分绘制算法在图形处理单元（GPU）的顶点着色器（vertex shader）和片段着色器（fragment shader）上实现。实验结果表明,在中端硬件配置上,本文算法可以实现多种发型的高质量实时绘制。

关键词：头发绘制头发建模发型函数实时绘制可编程图形硬件

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基于遮挡地平线技术的森林景观实时绘制研究

基于遮挡地平线技术的森林景观实时绘制研究

作者：梁韬北京林业大学

学位级别：硕士

森林景观可视化技术在景观设计、林区规划以及其它森林经营活动中有广泛的应用。在保证场景真实感前提下，为了提高森林场景的交互性和实时性，要尽可能地减少绘制的工作量。遮挡地平线技术是一种遮挡裁剪算法。它保留整个场景中需要绘... 详细信息

森林景观可视化技术在景观设计、林区规划以及其它森林经营活动中有广泛的应用。在保证场景真实感前提下，为了提高森林场景的交互性和实时性，要尽可能地减少绘制的工作量。遮挡地平线技术是一种遮挡裁剪算法。它保留整个场景中需要绘制的物体，删除对最终绘制结果没有贡献的物体，然后将可绘制的物体发送到绘制管线。遮挡地平线技术主要应用在遮挡物与地面相连、无法透过观察、可以将遮挡物连同地面作为一个高度场看待的场景中，例如城市和村庄中的建筑物场景。本文根据森林景观的特点，把森林场景中的植株视为一个高度场，将遮挡地平线技术应用到森林场景中，为森林景观可视化技术的进一步研究提供了思路和方法。将当前允许绘制的植株投影到检测平面上的最大高度作为该植株的遮挡指数，并根据遮挡指数创建虚拟地平线。通过虚拟地平线对森林场景中的植株进行遮挡测试，以实现加速森林场景的绘制。实验结果表明，该算法提高了绘制的速度，增强了场景的实时性和交互性。最后对森林景观可视化今后的研究工作进行了展望。

关键词：森林景观实时绘制遮挡地平线技术虚拟地平线

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基于点采样的大规模虚拟人群实时绘制技术

基于点采样的大规模虚拟人群实时绘制技术

作者：张颖电子科技大学

学位级别：硕士

随着计算机软、硬件技术的不断发展,作为虚拟现实技术的重要研究方向,大规模虚拟人群的实时绘制逐渐成为了人们关注的重点并广泛应用于商业、娱乐、军事、建筑、公共安全等众多领域。目前,国内外相关关键技术层出不穷。人们从简化绘制... 详细信息

随着计算机软、硬件技术的不断发展,作为虚拟现实技术的重要研究方向,大规模虚拟人群的实时绘制逐渐成为了人们关注的重点并广泛应用于商业、娱乐、军事、建筑、公共安全等众多领域。目前,国内外相关关键技术层出不穷。人们从简化绘制、加速绘制以及快速绘制等多方面进行了研究与分析,提出了一系列用于群体实时绘制的技术。本文首先对现阶段的大规模虚拟人群实时绘制的相关代表技术进行了深入的研究,包括基于点的简化绘制技术、基于GPU的绘制加速技术以及大规模群体快速绘制技术。接着,对大规模城市交通仿真系统进行了简要的描述,并对系统中的虚拟群体渲染模块进行了初步设计,然后引入了在设计中需要使用到的主要关键技术。在这些关键技术中,模型简化技术占据着十分重要的位置。引入它的目的在于简化复杂模型及场景的绘制,将无法通过显示设备完全表现的细节部分进行简化或者以近似物代替。本文在前期研究工作的基础上,实现了基于点采样的模型简化生成技术。该技术通过结合八叉树进行射线追踪采样,以生成采样层次结构。然后通过用户设置参数建立起多个层次细节的样本数据,得到原始复杂模型的多分辨率简化逼近表示。而为了满足大规模虚拟人群动画的实时性与多样性要求,本文还对其进行了改进,引入基于GPU的调色板蒙皮骨骼动画方法作为样本点的动画驱动方式。为了能够有效地利用硬件资源,提高绘制速度,本文在对大规模群体实时绘制加速技术研究的基础上,引入了基于可编程图形硬件的绘制加速技术,并结合常见的视锥体裁剪与LOD策略,通过GPU可编程渲染管线来完成加速技术的实现,以充分利用GPU的高速处理能力,并最大程度地解放CPU。而在大规模群体快速绘制技术方面,本文引入了Skinned Instancing技术。通过将场景中的所有实例划分为若干个几何批次,每个绘制批次重复利用几何体数据进行多次绘制来达到降低内存需求,减少渲染调用次数的目的。最后,本文提出了一种用于支持仿真系统中虚拟群体渲染模块实现的大规模虚拟人群实时绘制方法,并对其进行了详细的系统设计与流程设计。该方法在将上述三种技术进行有机结合的同时,还对每一种技术分别进行了改进,以最大限度地提升渲染性能,满足仿真系统的渲染需求。

关键词：大规模虚拟人群点采样实时绘制 GPU加速 Skinned Instancing

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一种海水实时绘制方法的研究与实现

一种海水实时绘制方法的研究与实现

作者：李向伟大连理工大学

学位级别：硕士

近年来,对风、雨、雪、火焰等各种自然现象的模拟越来越受到计算机图形学研究者的关注。一方面,对海水的实时模拟已经成为计算机游戏、虚拟现实应用以及电影制作的强有力的辅助工具;另一方面,从科学研究的角度上说,海水的模拟研究不仅... 详细信息

近年来,对风、雨、雪、火焰等各种自然现象的模拟越来越受到计算机图形学研究者的关注。一方面,对海水的实时模拟已经成为计算机游戏、虚拟现实应用以及电影制作的强有力的辅助工具;另一方面,从科学研究的角度上说,海水的模拟研究不仅仅在计算机图形学领域具有重要的意义,同时对于水力学、流体力学、波动力学、海洋学等都具有重要的实际意义。随着虚拟现实技术的发展、计算机实时三维图像系统以及可编程图形硬件在PC机上的应用,使得海水的模拟研究已经取得了很大的进展。本文对三维图形的实时绘制技术、海浪模型、虚拟海面的仿真模拟方法作了较为深入的分析和研究,以实验室三维虚拟场景演示和气象信息查询系统为应用背景,给出了一种基于统计和经验模型的、比较有效的实现方法。论文首先介绍了虚拟现实技术以及海水实时绘制技术目前的研究进展情况。在分析了已有的几种主要海水建模模型之后,重点论述了海面网格的生成方法——投影网格算法。投影网格的目的是用存在于投影空间的网格代替传统的存在于世界空间的规则矩形网格或梯形网格,使网格采样过程符合人眼视线规律的自然属性。虽然该方法没有采用多层次细节分辨率模型,但是也能达到同样的逼真效果和比较满意的实时绘制速度。论文还对算法实现过程中遇到的问题进行了分析,并给出了解决方法。最后讨论了三种可行的系统实现方案,结合现有图形硬件条件和软件平台选择其中之一,利用可编程图形处理器,给出了系统实现过程,并对模拟结果进行了分析。实践证明,该方法满足了三维虚拟场景演示和气象查询系统对海洋环境模拟的要求。

关键词：海水模拟实时绘制投影网格顶点处理器像素处理器

基于CUDA的脑组织图像三维实时绘制技术研究

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基于CUDA的脑组织图像三维实时绘制技术研究

作者：王充哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

医学图像的三维绘制技术一直以来都是国内外的研究热点。如今针对庞大的医学影像数据,如何进一步改进图像质量和提高绘制速度更是成为了挑战。传统的无论是基于CPU还是GPU(如早些时候基于GPU的通用计算)的绘制算法都存在着各种各样的不... 详细信息

医学图像的三维绘制技术一直以来都是国内外的研究热点。如今针对庞大的医学影像数据,如何进一步改进图像质量和提高绘制速度更是成为了挑战。传统的无论是基于CPU还是GPU(如早些时候基于GPU的通用计算)的绘制算法都存在着各种各样的不足之处:要么是硬件架构与通用计算不适配,要么实现算法进行编程非常困难,最终导致这些技术并没有被广泛应用于在医学图像绘制中。而人体的脑部结构相对其他组织结构来说比较复杂,使用传统的医学图像三维绘制方法,在脑部疾病诊断和科学研究过程中需要消耗临床医生和科研人员大量的时间,这给诊疗和科研带来很多不便。本文通过对当前常用的医学图像三维绘制算法进行对比和分析,基于CUDA架构的并行加速技术,对人脑部组织图像的体绘制算法进行了并行化处理。为了获得更高的性能,又对算法进行了优化。实验结果表明:基于CUDA架构的改进算法使三维绘制速度显著提高,从而改善了三维可视化难以实时绘制的缺陷与不足。论文的主要内容如下:首先,从阿尔茨海默氏病的神经影像学数据库获取脑组织图像原始数据,使用基于体素的形态测量学方法(Voxel-Based Morphometry,简称为VBM)和模糊C均值聚类(Fuzzy C-Means clustering algorithm,简称FCM)算法把脑组织核磁共振图像分割成脑灰质、脑白质和脑脊液三部分,将分割结果进行对比分析与评价,为后续用不同的算法分别进行三维重建做准备;其次,用光线投射算法对脑组织图像进行三维绘制,观察重建过程和图像绘制质量,并记录所用时间;最后,利用并行图像处理关键技术在CUDA架构上实现并行化处理,并主要从显存访问、指令流、线程分配、数据传输这几个方面进行算法优化,以获得更大的内存带宽、更大的指令吞吐量和更短的计算时间,利用基于CUDA的并行算法对脑组织图像再次进行三维重建并记录花费的时间,与未使用CUDA并行计算架构的情况进行比较,制定相应的参数和时间表格,对结果和性能进行分析。实验结果表明:在对人体脑组织进行三维绘制时,采用在CUDA平台上的并行算法不仅可以保证绘制质量,还可以将三维绘制速度提高几十倍,这对医生诊疗和科学研究都具有重要的意义。

关键词： CUDA 并行计算实时绘制 GPU 三维可视化

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动态场景的全局光照实时绘制

动态场景的全局光照实时绘制

作者：邹欣昂湖南大学

学位级别：硕士

三维场景的全局光照计算[76～78]不仅考虑当前着色点的直接入射光照,还涉及环境中其它景物对着色点的间接光照或遮挡的影响,因而可以模拟比局部光照更真实的效果,如透明物体的折射和反射,半透明物体的子表面散射,阴影等。由于其计算复... 详细信息

三维场景的全局光照计算[76～78]不仅考虑当前着色点的直接入射光照,还涉及环境中其它景物对着色点的间接光照或遮挡的影响,因而可以模拟比局部光照更真实的效果,如透明物体的折射和反射,半透明物体的子表面散射,阴影等。由于其计算复杂度远远超过了局部光照计算,传统上全局光照明模拟难以同时获得实时的绘制效率和逼真的效果。尽管人们针对光线跟踪、辐射度、光子映射等全局光照绘制方法提出了许多加速方案,但还是无法被应用到游戏、虚拟现实等实时性要求很高的应用。近年来流行的预计算技术部分地解决了静态场景的全局光照明计算,但无法直接适用于动态场景。GPU(Graphics Process Unit)在近几年极大地推动了计算机图形学的发展。尽管它采用了局限性大的SIMD(Single Instruction Multiple Data)架构,但这也使得它的并行性及处理速度远远高于CPU。本文以GPU为基本工具加速动态场景的处理及绘制,提出了一系列不同全局光照效果的算法,包括动态透明物体、动态半透明物体及复杂光照条件下动态场景的软阴影生成等:提出一个改进的可形变透明物体的二次折射计算、动态环境映射算法,以及在环境映射中的视点与参照点偏差问题的解决方案;提出一个基于绘制到纹理技术的子曲面散射模型两步绘制法,能实时高质量地绘制可形变半透明景物;针对现有阴影模拟算法在真实感及灵活性上的缺陷,提出了各向异性的遮挡度计算方案,结合球谐压缩的复杂光照环境,可获得场景各点的光亮度衰减值,能实时生成复杂光照条件下的阴影。

关键词：实时绘制全局光照透明半透明 BSSRDF 阴影 GPU

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动态场景的全局光照实时绘制

动态场景的全局光照实时绘制

作者：龚怿浙江大学

学位级别：硕士

三维场景的全局光照计算不仅考虑当前着色点的直接入射光照,还涉及环境中其它景物对着色点的间接光照或遮挡的影响,因而可以模拟比局部光照更真实的效果,如透明物体的折射和反射,半透明物体的子表面散射,阴影等。由于其计算复杂度远远... 详细信息

三维场景的全局光照计算不仅考虑当前着色点的直接入射光照,还涉及环境中其它景物对着色点的间接光照或遮挡的影响,因而可以模拟比局部光照更真实的效果,如透明物体的折射和反射,半透明物体的子表面散射,阴影等。由于其计算复杂度远远超过了局部光照计算,传统上全局光照明模拟难以同时获得实时的绘制效率和逼真的效果。尽管人们针对光线跟踪、辐射度、光子映射等全局光照绘制方法提出了许多加速方案,但还是无法被应用到游戏、虚拟现实等实时性要求很高的应用。近年来流行的预计算技术部分地解决了静态场景的全局光照明计算,但无法直接适用于动态场景。 GPU（Graphics Process Unit）在近几年极大地推动了计算机图形学的发展。尽管它采用了局限性大的SIMD（Single Instruction Multiple Data）架构,但这也使得它的并行性及处理速度远远高于CPU。本文以GPU为基本工具加速动态场景的处理及绘制,提出了一系列不同全局光照效果的算法,包括动态透明物体、动态半透明物体及复杂光照条件下动态场景的软阴影生成等: ●提出一个改进的可形变透明物体的二次折射计算、动态环境映射算法,以及在环境映射中的视点与参照点偏差问题的解决方案;●提出一个基于绘制到纹理技术的子曲面散射模型两步绘制法,能实时高质量地绘制可形变半透明景物;●针对现有阴影模拟算法在真实感及灵活性上的缺陷,提出了各向异性的遮挡度计算方案,结合球谐压缩的复杂光照环境,可获得场景各点的光亮度衰减值,能实时生成复杂光照条件下的阴影。

关键词：实时绘制全局光照透明半透明 BSSRDF 阴影 GPU

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真实场景的生成与实时绘制技术

系统仿真学报 2002年第3期14卷 333-335,387页

作者：雷励星陈晓明空军军训器材研究所北京100089

真实场景的实时绘制是飞行模拟器视景系统开发的一个难点。本文介绍了采用大幅遥感卫星照片和DEM数据生成真实场景和使用IRIS Performer开发工具,实时绘制真实场景的技术;提出了采用区域分割、多精度模型等方法,将大片区域场景分成若干... 详细信息

真实场景的实时绘制是飞行模拟器视景系统开发的一个难点。本文介绍了采用大幅遥感卫星照片和DEM数据生成真实场景和使用IRIS Performer开发工具,实时绘制真实场景的技术;提出了采用区域分割、多精度模型等方法,将大片区域场景分成若干子块,每块有几层模型的设计思想;提出了基于视点的场景数据动态分块调入与释放策略。应用该方法实时绘制的真实场景已投入飞行模拟训练,获得了满意效果。

关键词：真实场景实时绘制动态分块数据调度计算机仿真