大规模动态虚拟场景管理关键技术的研究.pdf

中图分类号旦圣 U D C 6 0 0 硕士学位论文 学校代码 Q 5 3 三 密级公珏 大规模动态虚拟场景管理关键技术的研究 R e s e a r c ho nK e y T e c h n o l o g i e so fM a n a g e m e n t f o r L a r g e s c a l eD y n a m i c V i r t u a lS c e n e s 作者姓名 学科专业 研究方向 学院 系、所 指导教师 哥I J 指导教师 刘腾飞 计算机科学与技术 软件工程 信息科学与工程学院 王斌教授 史秀志教授 论文答辩日期加l 鞋5 ．四答辩委员会主席隧 l 军赞l 中南大学 二零一四年五月 万方数据 学位论文原创性声明 本人郑重声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研 究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致 谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也 不包含为获得中南大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确 的说明。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 作者签名立娅 日期上咀牡年皇月三垃日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解中南大学有关保留、使用学 位论文的规定即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版；本人允许本学位论文被查阅和借阅；学校可以 将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 复印、缩印或其它手段保存和汇编本学位论文。 保密论文待解密后适应本声明。 作者签名生l 睦丝 导师签名 日期五业年玉月丝日 吼绌年王珥日 万方数据 大规模动态虚拟场景管理关键技术的研究 摘要虚拟场景的组织与管理是虚拟现实应用的基础和保障，真实感 和实时性是虚拟场景管理的两个基本要求。即使在计算机硬件处理能 力，特别是图形硬件性能突飞猛进的今天，在虚拟场景的真实感和实 时性要求之间也必须采取某种程度的折衷。 在此背景下，本文提出了如何生成和管理基于井下金属矿山作业 环境的大规模动态虚拟场景，使之既能满足与用户交互的实时性又能 满足场景渲染的真实感。主要研究内容如下 1 对于虚拟的井下金属矿山作业场景而言，不能将整个场景一 次加载到内存。因此采用基于入口划分的策略将场景划分更小的场景 块，当系统运行时，只需加载当前所在场景的块。最后以块为单位， 实现了大规模场景的组织管理和碰撞检测。 2 综合分析了虚拟场景的组织管理方式对场景管理效率的影响， 本文提出了一种改进场景图的场景管理方法，通过实施场景管理与渲 染分离的策略，采用场景图作为管理场景的组织方式，提高了与用户 交互的效率；对于室内场景采用对象二叉树与室外场景采用对象八叉 树作为碰撞检测和渲染场景的组织方式，以加速碰撞检测和渲染。 3 由于碰撞检测是在运行期间进行，针对井下金属矿山作业环 境中大部分物体是静态的，而碰撞检测又具有局部性，为了减少运行 时的系统开销，可以对场景中物体的可碰撞性检测进行预计算而不是 在运行期间进行计算，获得潜在可碰撞集，本文提出了一种获得潜在 可碰撞集的方法，并在此基础上实现碰撞检测算法。对大规模虚拟场 景分块后，本文引入缓存机制对加载到内存中的场景块进行管理，并 以场景块为并行粒度实现基于M P I 技术的并行碰撞检测。 演练平台应用实例已完成开发工作，并进行了严格的系统性能测 试，测试结果表明平台已经能够达到预期目标，验证了该方法既能满 足用户交互的实时性又能够增加渲染的沉浸感。图3 7 幅，表5 个， 参考文献6 1 篇。 关键词场景管理；场景图；对象八叉树；碰撞检测；潜在可碰撞集 分类号T P 3 11 ．5 万方数据 R e s e a r c ho nK e y T e c h n o l o g i e so fM a n a g e m e n t f o rL a r g e - s c a l e D y n a m i cV i r t u a lSc e n e s A b s t r a c t T h eo r g a n i z a t i o na n dm a n a g e m e n to fv i r t u a ls c e n ei st h e f o u n d a t i o na n dw a r r a n t yo ft h ev i r t u a lr e a l i t ya p p l i c a t i o n ．R e a l i s ma n d r e a l - t i m ea ret h et w ob a s i cr e q u i r e m e n t sf o rt h ev i r t u a ls c e n em a n a g e m e n t ． E v e nw i t ht h er a p i dg r o w t ho fc o m p u t e rh a r d w a r ep r o c e s s i n gc a p a b i l i t y , e s p e c i a l l yt h ep e r f o r m a n c e o f g r a p h i ch a r d w a r e ，w e s h o u l dt a k e c o m p r o m i s eb e t w e e nr e a l i s ma n dr e a l - t i m er e q u i r e m e n t si nt h ev i r t u a l s c e n et os o m ed e g r e e ． U n d e rt h i sb a c k g r o u n d ，t h i sp a p e rp r o p o s e sh o wt ob u i l da n d m a n a g e t h e l a r g e - s c a l ed y n a m i cv i r t u a l s c e n eb a s e do nt h ew o r k e n v i r o n m e n tu n d e r g r o u n dm e t a lm i n e s ，w h i c hm a k e si tn o to n l ym e e tt h e r e a l ．t i m eo ft h ei n t e r a c t i o nw i t hu s e r sb u ta l s om e e tt h er e a l i s mo fs c e n e r e n d e r i n g ． 1 I nt e r m so ft h ev i r t u a lw o r ke n v i r o n m e n to fu n d e r g r o u n dm e t a l m i n e s ，i tc a n ’tl o a dt h ew h o l es c e n ei n t om e m o r yo n et i m e ．S ow ed i v i d e t h es c e n ei n t os m a l l e rs c e n i cb l o c k sb a s e do nt h ee n t r a n c ed i v i s i o n s t r a t e g y ．W h e nt h es y s t e mi sr u n n i n g ，i tj u s tn e e d st ol o a dt h ec u r r e n t r u n n i n gs c e n i cb l o c k ．F i n a l l yt h i sp a p e ri m p l e m e n t st h el a r g e - s c a l ev i r t u a l s c e n eo r g a n i z a t i o nm a n a g e m e n ta n dc o l l i s i o nd e t e c t i o nb a s e do nb l o c k u n i t s ． ‘ 2 W ec o m p r e h e n s i v e l ya n a l y z e dt h e i m p a c t o ft h es c e n e m a n a g e m e n te f f i c i e n c yo f t h eo r g a n i z a t i o na n dm a n a g e m e n to ft h ev i s u a l s c e n e ．I nt h i sp a p e r , a ni m p r o v e ds c e n em a n a g e m e n tm e t h o dh a sb e e n p r o p o s e d ．B yu s i n gt h es t r a t e g yo f t h es e p a r a t i o no ft h em a n a g e m e n ta n d r e n d e r i n ga n da l s ob yu s i n gt h es c e n eg r a p ha st h eo r g a n i z a t i o no ft h e s c e n em a n a g e m e n t ，t h eu s e ri n t e r a c t i o ne f f i c i e n c yh a sb e e ni m p r o v e d ．I n o r d e rt os p e e du pt h ec o l l i s i o nd e t e c t i o na n dr e n d e r i n g ，o b j e c tb i n a r yt r e e s f o rt h ei n d o o rs c e n e sw h i l eo c t r e e sf o rt h eo u t d o o rs c e n e sh a v eb e e n e m p l o y e d ． 3 D u et oc o l l i s i o nd e t e c t i o ni sh a p p e n e da tr u nt i m e ，m o s to ft h e o b j e c t si nt h ew o r ke n v i r o n m e n to fu n d e r g r o u n dm e t a lm i n ew a ss t a t i c ，a s w e l la st h el o c a l i t yo fc o l l i s i o nd e t e c t i o n ，i no r d e rt or e d u c et h er u n t i m e 万方数据 o v e r h e a d ，t h ep o s s i b l ec o l l i s i o no fo b j e c ti nt h es c e n ec a nb ee x p e c t e dt o b ec a l c u l a t e df o rg e t t i n gp o t e n t i a lc o l l i s i o ns e t ．T h i sp a p e rp r o p o s e da m e t h o do fc o m p u t i n gp o t e n t i a lc o l l i s i o ns e t ，a n di m p l e m e n t e d t h e a l g o r i t h mo fc o l l i s i o nd e t e c t i o no nt h eb a s i s o fp o t e n t i a lc o l l i s i o ns e t ． A f t e rt h el a r g e ．s c a l ev i r t u a ls c e n ed i v i d i n gi n t ob l o c k s ，t h i sp a p e r i n t r o d u c e dac a c h i n gm e c h a n i s mt om a n a g es c e n eb l o c k sw h i c hl o a d e d i n t om e m o r y , a n du s et h es c e n eb l o c ka sp a r a l l e lg r a n u l a r i t yt oi m p l e m e n t t h ep a r a l l e lc o l l i s i o nd e t e c t i o nb a s e do nt h et e c h n o l o g yo fM e s s a g e P a s s i n gI n t e r f a c e ． T h ed e v e l o p m e n tw o r ka n ds t r i c ts y s t e mt e s t i n go fd r i l l i n gp l a t f o r m h a sb e e nc o m p l e t e d ，t h et e s tr e s u l t ss h o wt h a tt h i sp l a t f o r mh a sr e a c h e d t h ea n t i c i p a t e dg o a l ．A n di ts h o w e dt h a tt h i sm e t h o dC a nn o to n l ym e e t t h e r e a l - t i m en e e do ft h eu s e ri n t e r a c t i o n ，b u ta l s oi n c r e a s et h ei m m e r s i v e r e n d e r i n g ． K e y w o r d s S c e n eM a n a g e m e n t ；S c e n e D e t e c t i o n ；P o t e n t i a lC o l l i s i o nS e t C l a s s i f i c a t i o n T P 31 1 ．5 I I I G r a p h ；O b j e c tO c t r e e ；C o l l i s i o n 万方数据 目录 1 绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．1 研究背景及意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．2 国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．2 ．1 场景组织管理研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。2 1 ．2 ．2 碰撞检测研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。3 1 ．3 本文研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 ．3 ．1 虚拟场景的组织管理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 1 ．3 ．2 虚拟场景的碰撞检测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一5 1 ．4 论文的组织结构⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。⋯⋯⋯5 2 虚拟场景管理的相关技术⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2 ．1 虚拟场景组织中常用的技术⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2 ．1 ．1 场景图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一7 2 ．1 ．2 二叉空间分割树⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。8 2 ．1 ．3 八叉空间分割树⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．9 2 ．1 ．4 包围体层次树⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 2 ．1 ．5 常用的组织技术性能评价⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 2 ．2 碰撞检测中常用的包围盒技术⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一1l 2 ．2 ．1 轴对称包围盒⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 2 ．2 ．2 方向包围盒⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 3 2 ．2 ．3 固定方向包围盒⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 2 ．2 ．4 包围球⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一1 5 2 ．2 ．5 常用包围盒的性能评价⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 5 2 ．3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．16 3 大规模动态虚拟场景的组织与管理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．17 3 ．I 场景块的划分与组织⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一l8 3 ．1 ．1 场景块的划分策略⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 9 3 ．1 ．2 场景块划分及组织⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 0 3 ．1 ．3 场景块的物理存储方式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 2 3 ．2 构建场景图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一2 2 3 ．3 室内场景构建对象二叉树⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一2 5 3 ．4 室外场景构建对象八叉树⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。2 8 3 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一31 4 大规模动态虚拟场景的碰撞检测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一3 2 4 ．1 预处理阶段⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 3 4 ．1 ．1 潜在可碰撞集⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 3 I V 万方数据 4 ．1 ．2 物体的凸分解⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 3 4 ．1 ．3 构建物体凸块的A A B B 包围盒⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 5 4 ．1 ．4 创建潜在可碰撞集⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 5 4 ．2 初步检测阶段⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 6 4 ．2 ．1A A B B 包围盒的动态更新⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 6 4 ．2 ．2A A B B 包围盒相交性检测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 7 4 ．3 详细检测阶段⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一3 9 4 3 ．1D e l a u n a y 三角剖分⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 9 4 ．3 ．2 三角形相交测试⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 0 4 ．4 算法分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．41 4 ．5 碰撞检测的并行处理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。4 1 4 ．5 ．1 基于场景块建立缓存机制⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 4 ．5 ．2 并行处理实现⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 3 4 ．6 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 6 5 金属矿山3 D 训练平台的应用实例⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 7 5 ．1 原型系统的应用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一4 7 5 ．2 软件功能模块的实现⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一4 8 5 ．2 ．1 矿山矿工模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 8 5 ．2 ．2 矿山地面环境模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 8 5 ．2 ．3 矿山井下作业环境模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 9 5 ．2 ．4 矿山灾害模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 0 5 ．2 ．5 碰撞检测模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 0 5 ．3 性能对比分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一5 1 5 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 2 6 总结与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 3 6 ．1 研究总结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一5 3 6 ．2 工作展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 4 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。5 5 攻读学位期间主要研究成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一6 0 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 1 V 万方数据 中南大学硕士学位论文l 绪论 1 绪论 1 ．1 研究背景及意义 虚拟现实技术是目前信息领域研究与应用当中最热门方向之一1 1 。它通过计 算机模拟出一个逼真现实环境的三维空间虚拟世界，以支持用户对于眼睛的视觉、 耳朵的听觉、神经末梢的触觉等人体器官的模拟，让用户拥有如亲身处于虚拟世 界的体验。构想性、交互性与沉浸感是实现虚拟世界所必须具有的特性，这样用 户就能使用自己的想象力在虚拟世界中解决问题；能以自然的方式使用特定的装 备与虚拟世界中的物体进行交互；能设身处地的体验计算机所模拟的虚拟世界。 如今，这项技术已经在许多领域中得到延伸与应用，例如医疗、军事与航天航空、 工业仿真模拟、培训实训、应急推演、科学技术探索等【2 】。 由于我国的金属矿山作业环境通常都比较复杂，尽管矿山各方面的安全管理 越来越规范，但矿山事故仍时有发生。根据文献【3 】统计，在2 0 1 1 年，我国金属 非金属矿山共发生较大伤亡事故1 0 0 9 起，其中死亡1 0 6 0 人；在2 0 1 2 年，总共 发生较大伤亡事故7 8 4 起，其中死亡9 2 9 人；2 0 1 3 湖南省金属与非金属矿发生 伤亡事故4 3 起，其中死亡4 5 。经过对事故原因的分析，大多数是由于矿工对作 业环境不熟悉，或者缺乏安全逃生意识，或者操作过程不当。因此，针对矿山安 全培训和应急推演亟待进一步加强。 目前矿山安全培训面临诸多问题[ 6 1 ，例如刚参加工作的矿工较难适应复杂的 作业环境；大部分矿工又不愿意学习以文字记载的安全培训资料，更不愿意了解 和遵守安全操作规范。在此背景下，提出了“基于3 D 虚拟环境的金属矿山井下 应急救援演练平台“ 的研究课题。该课题研究基于3 D 虚拟现实技术对金属矿山 作业环境进行建模，并在矿山三维模型的基础上研究大规模动态虚拟场景关键技 术，主要是对虚拟场景中场景组织管理和碰撞检测进行优化研究，建立起基于 3 D 虚拟技术的安全培训平台，模拟金属矿山的作业环境，对矿工进行安全生产 操作方面的培训。 1 ．2 国内外研究现状 虚拟现实技术的研究于上个世纪4 0 年代发源于美国，产生后随着计算机技 术的进步而逐渐发展。目前，与虚拟现实相关的研究内容也广泛应用到各行各业， 如由最初美国军方模拟训练驾驶员和宇航员到后来的虚拟教学、军事训练、应急 万方数据 中南大学硕士学位论文 1 绪论 推演等很多领域。 在上世纪8 0 年代，美国宇航局 N A S A 建立了空间站虚拟现实训练系统、 航空和卫星维护虚拟训练系统以及可供全国使用的虚拟教育系统。现在，正致力 于实施“虚拟行星探索” V P E 计划。 在英国，主要研究虚拟现实技术中分布式并行处理、触觉反馈等辅助设备的 设计和应用等方面。其中，英国的B r i s t o l 公司主要从事虚拟现实技术的综合性 应用研究，他们在软硬件的部分领域的研究处于领先地位。A R R L 公司对包括虚 拟重构的远程展示研究有重大进展，其主要应用于建筑和科学可视化计算。 在其他较发达的欧洲国家如德国、荷兰、瑞典等，都积极从事虚拟现实技术 研究与应用。在德国，通过应用虚拟现实技术来改造传统产业一方面用于产品 设计、降低开发成本与风险、产品展示以吸引客户订单；另一方面使用虚拟系统 培训员工提高作业水平。在荷兰，T N O 研究所的物理电子实验室开发的训练和 模拟系统，在人机界面交互方面取得重大进展，使用户能够无缝介入虚拟环境获 得更佳的用户体验。 在我国，虚拟现实技术的研究与应用和欧美等发达国家水平差距较大。但随 着计算机系统工程、计算机图形学等技术的发展，虚拟现实技术也因其广泛的发 展和应用前景，得到越来越多的科研机构和人员的高度青睐。目前，我国相关部 门已制定了一系列的发展计划，如国家高技术研究发展计划、国家8 6 3 计划、国 家自然科学基金委等都将虚拟现实列为重点研究项目。全国重点院校也陆续开展 虚拟现实的研究北京航天航空大学计算机系是最早从事虚拟现实研究的院系之 一，对分布式虚拟环境的网络设计及应用系统的开发平台、部分视觉接口的硬件 设计开发以及对象的物理特征的描述和处理等进行了重点研究浙江大学 C A D C G 国家重点实验室实现了一种递进网格的快速生成算法以及在虚拟环境 中快速漫游的算法，并在P C 端进行了模拟建筑群的应用实现；清华大学着重研 究了虚拟现实中临场感方面，如采取Q u i e k T i m e 技术制作大全景，实现了对“布 达拉宫”虚拟化展示；哈尔滨工业大学在人的表情合成和唇动合成技术问题上取 得重大突破，成功的模拟人的面部表情等高级行为。 场景管理技术作为虚拟现实应用的关键技术之一【7 1 ，包括虚拟场景中对象的 组织管理、碰撞检测和可见性判断等内容的研究，主要是研究如何通过对虚拟场 景中对象的模型的几何数据、绘制属性数据、光照数据等进行有效地管理，加速 碰撞检测与渲染。因此，场景管理成为虚拟现实中的一个重要的研究方向。 1 ．2 ．1 场景组织管理研究现状 场景组织管理技术作为一项基础技术，它可以有效提高建模、可见性裁剪、 2 万方数据 中南大学硕士学位论文l 绪论 碰撞检测等的执行效率。在虚拟场景中通常是将现实当中的物体的形状抽象成为 外形相似一个模型对象或者几个子模型对象的组合，又由点、线、三角形等能被 图形绘制硬件渲染基本图元构成这些模型对象，将物体的表面抽象为能够附加在 相对应模型表面的材质与纹理，然后通过对模型表面进行光照处理，就能达到较 好模拟效果。对于大规模虚拟场景来说，用于描述其中物体的数据量很大，如果 还按照传统的方式组织渲染场景，其效率是极其低下，难于满足大规模虚拟场景 实时渲染。场景的组织管理就是通过对场景中的所有信息如几何信息、渲染状态 信息等进行有效地管理，缩短虚拟场景的渲染时间，以保证实时性。通常采用分 层次的方法来对虚拟场景进行组织管理，将虚拟场景分解成多个物体，再将物体 分解成多个更小的子物体，然后将子物体分解成许多三角形，因此，场景的组织 具有嵌套与递归的特点。 在对大规模虚拟场景组织管理中，由于不同的类型场景具有不一样的特性， 应依据不同类型采取相对应的组织技术来管理场景【8 】。如果虚拟场景类型为静态 的，对于其室内部分一般采用二叉空间分割树来组织场景，并通过与潜在可见集 技术 P o t e n t i a l l yV i s i b l eS e t ，P V S 、入口技术 P o r t a l 等的结合应用优化了其管 理效率，同时也获得了较好的渲染效果1 9 1 ；对于其室外部分一般使用四叉空间分 割树 Q u a d ．t r e e 或八叉空间分割树来组织【l 州。如果是虚拟矿山地面场景等包含较 多具有一定高度的房屋、花草、树木等，一般使用八叉树进行组织；如果是可以 忽略地形高度，通常使用四叉树进行组织，这样就可以大量减少渲染的数据量。 在动态虚拟场景中，除了场景中的物体需要渲染之外，还必须模拟动态物体的运 动轨迹。如在虚拟火灾的灾害环境，使用粒子系统模型来模拟火灾的火苗和烟雾 颗粒等无规则的运动轨迹，同时场景中可能还包含有其他的运动物体，如同样采 取更新复杂的空间剖分树来组织场景，不能够实时响应动态场景的运行以致不能 较好的展示火灾灾害的扩散效果，不能够满足动态虚拟场景的对实时性和渲染效 率的要求，所以一般使用场景图或包围体层次树作为场景组织的数据结构，构建 物体与其运动关系的树状结构【l 。 1 ．2 ．2 碰撞检测研究现状 场景管理中碰撞检测问题是计算几何、机器人学、可视化计算与计算机图形 学等领域的一个经典问题【1 2 】。在现实环境当中，如果在不损坏物体的前提下， 一个空间区域不能同时被两个物体占有，即出现“穿透”现象。为保证模拟现实 环境的真实性，虚拟场景中的物体必须遵守和现实环境中一样的规律，同现实环 境中一样的与虚拟物体发生各种交互。为了保证虚拟场景中的物体不会发生“穿 透”现象，首先得快速精确地检测出场景中的物体之间是否发生了碰撞，其次如 万方数据 中南大学硕士学位论文 i 绪论 果发生碰撞则及时做出相应的响应动作。实时、精确地碰撞检测，对提高虚拟环 境的真实性、增强虚拟环境的沉浸感起到至关重要的作用【J 6 ‘。 近年来，国内外学者与研究人员在碰撞检测领域中做出了许多的贡献，提出 了很多高效实时碰撞检测方法。这些方法主要分类两大类基于时间域的碰撞检 测技术和基于空间域的碰撞检测技术。其中基于时间的碰撞检测技术分为3 类 静态碰撞检测算法1 1 7 】，主要用于场景中物体的状态不随时间发生改变时，来检 测处于静止状态的各物体之间是否出现重叠现象；离散碰撞检测算法【l 圳，在虚 拟场景运行的时间轴上获取一系列离散点，然后依次在离散点上检测场景中的物 体之间的是否发生碰撞；连续碰撞检测算法，在一个连续的时间间隔内，判断场 景中运动物体是否与其它物体发生碰撞。基于空间的碰撞检测技术基于实体空 间的碰撞检测与基于图像空间的碰撞检测。其中基于实体空间的碰撞检测主要利 用场景中物体的三维几何特性求交，又根据其所使用实体结构模型的不同分为两 类1 2 2 ] 第一类为基于B S P 树、八叉树和k d 树等的空间分割法 S p a c e D e c o m p o s i t i o n [ 2 4 1 ；第二类为基于层次包围盒树的方法，根据包围盒类型的不同 又分为包围球【2 6 1 、轴向包围盒【2 7 1 、方向包围盒【2 8 】、离散方向包围盒【2 9 1 、凸壳包 围盒【3 l 】以及混合包围盒【3 2 j 等等。基于图像空间的碰撞检测【3 3 1 将虚拟场景中的 物体通过投影操作绘制到二维的图像平面上，得到一个二维的图像空间，然后结 合保存在缓存中的该物体的深度信息，检测出物体之间是否发生碰撞。 G o v i n d a r a j u 等人提出了一种基于图像空间面向多物体的检测算法C U L L I D E ，基 本思想将复杂物体逐步分解为子物体，构建潜在可碰撞集 P o t e n t i a lC o l l i s i o nS e t ， P C S ，并利用它们的可见性计算减少集合中的成员，降低了检测时的数据量， 因此算法具有较高的效率【3 4 1 。国防科技大学的魏迎梅等人在文献【3 5 】中提出了基 于固定方向包围盒的碰撞检测方法，并提出了基于线性规划对包围盒进行更新算 法。范昭炜等人在文献[ 3 6 】提出了利用高性能的图形硬件来加速碰撞检测过程。 1 ．3 本文研究内容 大规模动态虚拟场景的管理是虚拟现实中的一个重要的研究方向，本文以实 时渲染为目标，通过对国内外学者关于场景管理中的组织管理技术和碰撞检测技 术等研究工作的分析，并对其中部分研究内容进行优化改进，使虚拟场景既能满 足与用户交互的实时性又能满足场景渲染的真实性。 1 ．3 ．1 虚拟场景的组织管理 由于计算机性能的限制，如大规模虚拟场景一次性全部加载到内存，势必会 4 万方数据 中南大学硕士学位论文 1 绪论 造成占用过多的系统资源而影响运行效率，为了提高虚拟场景的管理效率和渲染 效果，需要将整个场景划分为许多场景块。本文主要研究采用何种策略对场景划 分以及划分后如何存储与管理这些场景块，当划分后的场景块加载到内存后，采 用什么样的数据结构对块中包含的数据进行管理，方便用户与虚拟场景快捷交互、 渲染前对场景进行可见性裁剪、碰撞检测与渲染期的数据排序等。因此，虚拟场 景的组织管理成为虚拟现实的一个重要的研究内容。 本文在研究如何构建和管理大规模动态虚拟场景，通过实施场景管理与渲染 分离的策略，为提高与用户交互的效率，使用场景图技术组织管理虚拟场景；在 场景图的基础上，对于室内场景构建对象二叉树和室外场景构建对象八叉树，将 它们作为碰撞检测和渲染场景的组织方式，加速碰撞检测和渲染。 1 ．3 ．2 虚拟场景的碰撞检测 碰撞检测技术是构建虚拟现实系统不可或缺的一个重要技术，保障用户以更 自然的方式与虚拟场景中的物体进行交互。如果没有实现碰撞检测，当场景中的 一个物体碰到另一个物体，往往会直接“穿透而过”。 碰撞检测是在系统运行期间进行，由于虚拟场景中大部分物体是静态的，而 碰撞检测又具有局部性，为了减少运行时的系统开销，可以对场景中物体的可碰 撞性进行预处理，获得潜在可碰撞集P C S ，减少其在运行期间计算量，提高碰撞 检测效率。本文考虑到虚拟场景的可交互性和实时性要求，提出了一种计算潜在 可碰撞集的方法，并实现基于P C S 碰撞检测算法。对大规模虚拟场景分块后， 引入了缓存机制对加载到内存中的场景块进行管理，并以场景块为粒度采用并行 编程技术实现了碰撞检测并行化处理。 1 ．4 论文的组织结构 本文共分六章。各章节的主要内容如下 第一章绪论。首先介绍了本文的研究背景金属矿山事故频繁发生以及现 行矿山安全培训的不足，而虚拟现实技术能够作为一种解决方案，通过对矿工进 行井下安全作业的虚拟培训，减少矿山安全事故的发生。然后简要概述了虚拟现 实技术以及其中的场景的组织管理和碰撞检测等在国内外的研究现状。之后提出 了本文的主要研究内容大规模虚拟场景的组织管理和碰撞检测。最后整体性的 描述了本论文的组织结构。 第二章虚拟场景管理相关技术分析。在本章中首先详细分析了面向交互的 场景图和面向性能的空间划分两种组织方式，并对它们的优缺点进行对比分析， 万方数据 中南大学硕士学位论文1 绪